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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen der als Dampfregenerierventile
oder Dampfhandhabungsventile (engl.: vapor management valves, VMV)
bekannten Bauart, die zur Steuerung/Regelung der Spülströmung des
Kraftstoffdampfes eines Tanks aus einem Sammelbehälter zu
einem Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Solche
Vorrichtungen werden in kleinen Kraftfahrzeugen verwendet, bei denen
das Entweichen eines Kraftstoffdampfs unter Bedingungen mit einem abgeschalteten
Motor verhindert wird, indem die Kraftstoffdämpfe in einem Sammelbehälter, gewöhnlich einem
Sammelbehälter
von der Bauart mit absorbierender granulierter Aktivkohle, gesammelt
werden.
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Bekannte
VMVs weisen ein elektrisch betätigtes
Entlüftungsventil
(EVR) auf, um Umgebungsluft in eine Signaldruckkammer strömen zu lassen, die
mit einem Ansaugrohrunterdruck beaufschlagt ist, um auf eine Seite
einer auf Druck ansprechenden Membran ein Unterdruck-Steuersignal
bereitzustellen. Die Membran dient als Reglerventilelement zur Steuerung
des Dampfdurchflusses zwischen einem Einlass, der mit dem Dampfsammelbehälter verbunden
ist, und einem Auslass, der mit dem Ansaugrohr des Motors verbunden
ist. Die Membran ist mittels einer Feder vorgespannt, um das Membranventilelement
in Schließrichtung
vorzuspannen, so dass ein Dampffluss zu dem Motoransaugrohr verhindert
wird, solange die Membran nicht einem vorbestimmten Differenzdruck
ausgesetzt ist. Ein Beispiel für
ein solches bekanntes VMV-VEntil ist in dem US-Patent 5 277 167
veranschaulicht und beschrieben.
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Es
wird nun auf 1 Bezug
genommen, in der die bekannte Ventilanordnung allgemein mit 1 bezeichnet
ist und ein allgemein mit 2 bezeichnetes EVR-Ventil aufweist,
das den Belüftungsstrom
der Umgebungsluft über
ein Filter 5 und einen Spulendurchgang 3 zu einem
Ausgangsdurchgang 4 steuert, von dem aus der Luftstrom über einen
Einlasskanal 6 einer Unterdruck-Drucksignalkammer 8 zugeführt wird,
die über
einen Verbindungsanschluss 10 und eine einzelne Ausströmöffnung 12 mit
einem Motoransaugrohrunterdruck beaufschlagt ist.
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Der
Druck in der Kammer 8 liegt auf einer Seite einer druckempfindlichen
Membran 14 an, die ein Regelventilelement in Bezug auf
einen Ventilsitz 17 bewegt, um den Durchfluss zwischen
einem Unterdruck-Anschluss 18, der mit dem Motoransaugrohr
verbunden ist, und einem Kraftstoffdampfentlüftungs-Einlassanschluss 20 zu
steuern, der mit einem Kraftstoffdampfbehälter 22 verbunden
ist, der mit einem Kraftstofftank 24 in Verbindung steht.
Die Membran 14 ist durch eine Feder 26 vorgespannt,
um ein Öffnen
des Ventils 19 so lange zu verhindern, bis an der Membran 14 ein
vorbestimmter Differenzdruck anliegt, wie dies aus dem Stand der
Technik allgemein bekannt ist.
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Bei
dem voranstehend erläuterten
bekannten Typ eines VMV-Ventils ist festgestellt worden, dass die
Unterdruckströmungsgeschwindigkeit
aus der Unterdruck-Drucksignalkammer heraus mit steigendem Ansaugrohrunterdruck
ansteigt. Wenn bei hohen Unterdruckpegeln in dem Motoransaugrohr (vermindertem
Absolutdruck im Ansaugrohr) an der in dem Unterdruck-Signalkanal
vorgesehenen Strömungsdrosselöffnung ein
kritisches Druckverhältnis erreicht
ist, kommt es in dem Kanal zu einer Schallflussabdrosselung (Schallflussabschnürung) oder -begrenzung,
wodurch eine weitere Erhöhung
des Durchflusses bei einer Erhöhung
des Motoransaugrohrunterdrucks verhindert wird. Für eine angemessene
Spül- oder Entdampfungsströmung ist
es erwünscht,
ein VMV-Ventil mit derartigen Eigenschaften vorzusehen, das die
abgezweigte Umgebungsluftströmung über den
beim betriebenen Motor vorkommenden Bereich von Ansaugrohrdrücken hinweg bei
einer Erhöhung
des Unterdrucks (einer Erniedrigung des Absolutdrucks in dem Ansaugrohr)
ansteigt, ohne dass es zu einer Schallflussabdrosselung kommt.
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Wenn
die Motordrossel sprungartig oder schnell geschlossen wird, d. h.
unter einer Bedingung, die als "Tip-out" bezeichnet wird,
führt die plötzliche
große
Erhöhung
des Ansaugrohrunterdrucks (ein Sinken des Absolutdrucks in dem Ansaugrohr)
zu einem Auftreten einer Schallflussabdrosselung an der Unterdruck-Strömungsdrosselöffnung;
und die Unterdruck-Entlüftungsströmung folgt nicht
mehr den Unterdruckpegeln in dem Motoransaugrohr. Somit ist es seit
langem gewünscht,
einen Weg oder ein Mittel zu finden, um die Effekte des "Tip-out" auf die VMV-Steuerung
des Kraftstoffdampfflusses zu dem Motoransaugkrümmer auszugleichen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisch betätigtes Kraftstoffdampf-Regenerierventil
oder -Behandlungsventil für
einen Verbrennungsmotor zu schaffen, das eine Unterdruck-Entlüftungsströmung durch
die Steuersignaldruckkammer bewirkt, die über den während des Motorbetriebs gegebenen
Bereich des Ansaugrohrunterdrucks hinweg bei einer Erhöhung des
Motoransaugrohrunterdrucks (Ernied rigung des Absolutdrucks in dem
Ansaugrohr) ansteigt und das Auftreten einer Schallflussdrosselung
(Schallflussabschnürung)
an der die Entlüftungsströmung begrenzenden Öffnung verhindert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein VMV-Ventil geschaffen, das ein elektrisch betätigtes Entlüftungsventil
oder EVR aufweist, das die aus der Umgebung abgezweigte Entlüftungsströmung zu
einer Unterdruck-Signaldruckkammer steuert, durch die die Druckkraft
auf eine Seite einer Membran gesteuert wird, um ein Entdampfungsstrom-Regelventil zu
betätigen.
Das Unterdrucksignal für
die Unterdruck-Signaldruckkammer ist ein Unterdruck, der durch mehrere
Strömungsdrosselöffnungen
zugeführt
wird, die in dem Anschluss vorgesehen sind und die den Strömungsfluss
begrenzen, jedoch das Auftreten einer Schallflussabdrosselung verhindern.
In einer Ausführungsform
ist ein Paar von Drosselöffnungen
vorgesehen, die voneinander beabstandet, strömungsmäßig in Reihe in der Unterdruck-Signalkanalverbindung
angeordnet sind; und in einer anderen Ausführungsform ist ein Laminarströmungselement
mit mehreren laminaren Strömungsdurchlässen vorgesehen,
die strömungsmäßig parallel
zueinander in dem Unterdruck-Signalkanal zu der Steuerdruckkammer
für die
Membran angeordnet sind. Für die
letzteren parallelen Durchlässe
kann poröses Sintermetall
oder ein Faserwerkstoff verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform
ist eine einzelne Drosselöffnung
mit einem Laminarströmungselement
strömungsmäßig in Reihe
angeordnet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen Querschnitt
eines herkömmlichen
Dampfregenerierventils, wie es mit einem Motoransaugrohr und einem
Kraftstoffdampfbehälter
verbunden ist;
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht
eines Ausschnitts aus 1,
in der eine Ausführungsform mit
einer Modifikation der 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht ist;
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3 zeigt eine der 2 ähnliche Ansicht, die eine andere
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4 zeigt einen Graphen, in
dem die EVR-Entlüftungsströmung über dem
Motoransaugrohrunterdruck für
den Stand der Technik sowie für die
vorliegende Erfindung aufgetragen ist;
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5 zeigt eine graphische
Darstellung, in der die VMV-Kraftstoffdampfströmung in Abhängigkeit von dem Ansaugrohrunterdruck
für den
Stand der Technik und die vorliegende Erfindung bei unterschiedlichen
Beträgen
des elektrischen EVR-Signals veranschaulicht ist; und
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6 zeigt eine graphische
Darstellung, in der die VMV-Kraftstoffdampfströmung in Abhängigkeit von dem Motoransaugrohrunterdruck
für die
vorliegende Erfindung, die das Laminarströmungselement für die EVR-Entlüftungsströmung nach 3 verwendet, für zwei Beträge des Tastverhältnisses des
EVR-Signals aufgetragen;
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7 zeigt eine der 3 ähnliche Ansicht, die eine weitere
erfindungsgemäße Ausführungsform veranschaulicht;
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8 zeigt einen Graphen, in
dem die EVR-Entlüftungsströmung in
Abhängigkeit
von dem Motoransaugrohrunterdruck für eine Gruppe von Öffnungen
gemäß der Ausführungsform
nach 2 aufgetragen ist;
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9 zeigt einen Graphen, in
dem die Kraftstoffdampfströmung
durch den VMV-Regler in Abhängigkeit
von dem Ansaugrohrunterdruck aufgetragen ist;
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10 zeigt eine graphische
Darstellung, in der die EVR-Entlüftungsströmung in
Abhängigkeit von
dem Motoransaugrohrunterdruck für
eine Gruppe von Öffnungen
und Filterlängen
gemäß der Ausführungsform
nach 7 aufgetragen ist;
und
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11 zeigt eine graphische
Darstellung, in der die VMV-Kraftstoffdampfströmung in Abhängigkeit von dem Motoransaugrohrunterdruck
für eine Gruppe
von Öffnungen
und Filterlängen
gemäß der Ausführungsform
nach 7 aufgetragen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird nun auf 2 Bezug
genommen, in der bei 100 die vorliegende Erfindung veranschaulicht
ist, wie sie ein VMV-Ventil aufweist, das demjenigen nach 1 ähnlich ist, jedoch ein Einlassanschlussstück aufweist,
dass bei 116 veranschaulicht ist und das gegenüber dem Stand der Technik modifiziert
ist, wobei die Wand 108 der Unterdruck-Signaldruckkammer bei 112 mit
einer Drosselöffnung
versehen ist; und der Einlassdurchgang in dem Verbindungsanschluss 116 weist
eine zweite Öffnung 120 auf,
die in dem Anschlussdurchlass 119 ausgebildet ist und die
von der Öff nung 112 beabstandet
ist und sich strömungsmäßig in Reihe
mit dieser befindet. Die Öffnung 120 kann
in einer geeigneten Ringscheibe oder einem Einsatz 122 ausgebildet
sein, die bzw. der in den Durchlass 119 eingedrückt ist.
Vorzugsweise ist die stromabwärts
angeordnete Öffnung 122 derart
bemessen, um an dieser das gleiche Druckverhältnis zu erhalten wie an der
stromaufwärts
angeordneten Öffnung 112.
Gemäß der gegenwärtigen Ausführung der
Erfindung beträgt
der Durchmesser der Öffnung 112 ungefähr 0,025
Zoll (0,63 mm) und der der stromabwärts angeordneten Öffnung ungefähr 0,036
Zoll (0,91 mm), um die Strömungscharakteristika
nach 6 zu erhalten.
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Es
versteht sich, dass die Öffnungen 112, 120 für Kraftstoffdampffluss-Charakteristika,
die sich von denjenigen nach 6 unterscheiden,
anders bemessen werden, um die gewünschte Unterdruck-Entlüftungsströmung zu
erhalten; die beiden Öffnungen
dienen jedoch dazu, das Auftreten von Schallflussabdrosselungen
zu verhindern.
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Gemäß 4 ist die durch Abzweigen
der Umgebungsluft erhaltene EVR-Entlüftungsströmung veranschaulicht, wie sie
für den
während
des Motorbetriebs gegebenen Bereich des Ansaugrohrunterdrucks aufgetragen
ist, wobei die obere Kurve für
das herkömmliche
Ventil nach 1 aufgezeichnet
ist und die untere Kurve die Strömung
in Abhängigkeit von
dem Ansaugrohrunterdruck im Falle der doppelten Öffnungen nach 2 gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht.
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Es
wird nun auf 5 Bezug
genommen, in der die Dampfspülströmung bei
dem VMV-Ventil in Abhängigkeit
von dem Unterdruck in dem Motoransaugrohr für das herkömmliche Ventil nach 1 sowie die Strömung für die vorliegende
Erfindung, wie sie in 2 veranschaulicht
ist, aufgetragen sind. Der obere Satz von Strömungskurven in 5 wurde bei einem 43,5%igen Tastverhältnis des
elektrischen EVR-Signals für
das Ventil nach dem Stand der Technik und bei einem 42,5%igen Tastverhältnis des
elektrischen EVR-Signals
für das
Ventil gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten. Der untere Kurvensatz in 5 wurde bei einem 37%igen Tastverhältnis des elektrischen
EVR-Signals für
die Anordnung mit zwei Öffnungen
nach 2 erhalten; und
für das
Ventil nach dem Stand der Technik gemäß der 1 wurde ein 38%iges Tastverhältnis des
elektrischen EVR-Signals verwendet.
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Bezugnehmend
auf 6 ist die Dampfspülströmung des
wie in 3 ausgeführten erfindungsgemäßen VMV-Ventils
in Abhängigkeit
von dem Unterdruck in dem Motoransaugkrümmer für zwei verschiedene Prozentsätze des
Tastverhältnisses
des elektrischen EVR-Signals, nämlich
für 35,5%
und für 42%,
aufgetragen und veranschaulicht die im Wesentlichen konstante Dampfströmung, die
durch die vorliegende Erfindung bei höheren Pegeln des Motoransaugrohrunterdrucks
(niedrigerem Absolutdruck in dem Ansaugrohr) erreicht wird.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen,
in der eine abgewandelte Anordnung der Erfindung allgemein bei 200 veranschaulicht
ist, bei der das Unterdruck-Einlassanschlussstück 216 einen Strömungsdurchlass 219 aufweist,
der mit strömungsmäßig parallel
zueinander angeordneten Laminarströmungsgängen voll besetzt ist, die
in einem Laminarströmungselement
ausgebildet sind, das einen porösen Filter
aufweist, der mit dem Bezugszeichen 220 versehen ist und
der ein Fasermaterial oder alternativ ein poröses Sinter metall oder ein anderes
geeignetes Material enthalten kann. Der Filter 220 stellt
eine Strömungsverbindung
mit der Unterdruck-Drucksignalkammer 208 her, wobei es
sich versteht, dass die verbleibenden Teile des VMV-Ventils nach 3 mit denjenigen des herkömmlichen
Ventils nach 1 übereinstimmen.
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Es
wird auf 7 Bezug genommen,
in der eine weitere Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht und allgemein mit 300 bezeichnet
ist, zu der die Unterdrucksignal-Steuerdruckkammer 308 gehört, die über eine Öffnung 312 mit
einem Strömungsdurchgang 319 in
Verbindung steht, der in einem Unterdruck-Einlassanschlussstück 316 ausgebildet
ist, der, wie klar sein dürfte,
für eine
Verbindung mit dem Motoransaugrohr mit Hilfe eines (nicht veranschaulichten)
geeigneten Schlauchs eingerichtet ist, wobei diese Verbindung durch
eine strichpunktierte Linie und das Bezugszeichen 15 in 1 angedeutet ist. In dem
Durchlass 319 ist in der Nähe des von der Öffnung 312 entfernt
liegenden Endes ein laminares Strömungselement 320 aufgenommen,
das aus demselben Material wie das Strömungselement 220 in
der Ausführungsform
nach 3 aufgebaut sein
kann. Das Element 320 in der Ausführungsform nach 7 ist somit in der Längsrichtung
des Durchgangs 319 von der Öffnung 312 beabstandet
angeordnet.
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Bei
der momentanen Ausführung
der Erfindung wird als Filtermaterial 220, 320 in
den Ausführungsformen
nach 3 und 7 Polyäthylen hoher Dichte (HDPE)
verwendet, das eine Porengröße von 65
Mikrometer und ein Porenvolumen von fünfzig Prozent (50%) aufweist.
Es versteht sich, dass die Strömung
durch die Elemente 220, 320 wegen des geringen
Durchmessers der Poren im Wesentlichen laminar ist; der Druckabfall
an dem Filter ist ungefähr eine
lineare Funktion der Strömung,
und der Druckabfall bestimmt sich in Abhängigkeit von der Filterfläche und
der Filterlänge.
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Gemäß der Ausführungsform
nach 7 sind somit eine Öffnung und
ein laminares Strömungselement
in Reihe angeordnet kombiniert. Dies ermöglicht es, die passende Strömung zu
erhalten, wodurch die Strömungsänderung
bei einer plötzlichen Änderung
des den Unterdruck-Einlassanschluss beaufschlagenden Unterdrucks
minimiert wird.
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Gemäß 8 ist die durch die doppelten Öffnungen 112, 122 der
Ausführungsform
nach 2 führende EVR-Entlüftungsströmung in
Abhängigkeit von
dem Unterdruck in dem Motoransaugkrümmer dargestellt. Es ist eine
Kurvenschaar für
unterschiedliche Verhältnisse
des Durchmessers der Öffnung 122 zu
dem Durchmesser der Öffnung 112 über dem Bereich
eines Ansaugrohrunterdrucks, wie er während des Motorbetriebs vorkommt,
aufgetragen. Aus 8 ist
ersichtlich, dass die durch die Datenpunkte gezeichneten Kurven
für die
Anordnung mit zwei Öffnungen,
gemäß 2, im Vergleich zu der in
durchgezogener Linie gezeichneten Kurve für die einzelne Öffnung nach
dem Stand der Technik bei der vorliegenden Erfindung eine deutliche
Veränderung
in der EVR-Entlüftungsströmung veranschaulicht,
insbesondere in dem am meisten betroffenen Ansaugrohrunterdruckbereich,
nämlich
bei einem Ansaugrohrunterdruck zwischen 200 und 500 mm HG.
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In
der 9 ist eine Kurvenschaar
für die Kraftstoffdampfströmung durch
das VMV-Ventil zu dem Ansaugrohr (über die Anschlüsse 116, 216, 316) für unterschiedliche
Werte des (Durchmesser-)Verhältnisses
zwischen der Öffnung 122 und
der Öffnung 112 aufgezeichnet.
Es ist aus der 9 ersichtlich,
dass durch geeignete Bemessung der Öffnungen 122, 112 wesentliche
Verbesserungen und Veränderungen
in der Charakteristik der Kraftstoffdampfströmung im Vergleich zu der mit
durchgezogener Linie eingezeichneten Kurve für die Konfiguration nach dem
Stand der Technik erhalten werden können.
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Es
wird auf 10 Bezug genommen,
in der ein Graph veranschaulicht ist, in dem die EVR-Entlüftungsströmung in
Abhängigkeit
von dem Motoransaugrohrunterdruck für den herkömmlichen Aufbau mit einer einzelnen Öffnung gemäß 1 aufgetragen ist; und es
sind Kurven für
die Daten eingezeichnet, die unter Verwendung der Ausführungsform nach 7 mit der einzelnen Öffnung in
Kombination mit dem Laminarströmungselement
erhalten worden sind. Die drei durch die Datenpunkte, die für verschiedene Öffnungsdurchmesser
erhalten worden sind, gezogenen Kurven zeigen im Vergleich zu der Kurve
für die
herkömmliche
Anordnung nach 1 mit
einer einzelnen Öffnung
eine drastische Linearisierung der EVR-Entlüftungsströmung, insbesondere in dem Bereich
des Ansaugrohrunterdrucks von 200 bis 500 mm HG.
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Bezugnehmend
auf 11 ist die Kraftstoffdampfströmung zu
dem Ansaugrohr über
den Anschluss 316 nach 7 anhand
einer Schaar von Kurven veranschaulicht, die durch Datenpunkte eingezeichnet
sind, die die Dampfströmung
in Abhängigkeit
von dem Motoransaugrohrunterdruck darstellen. Es ist zu sehen, dass
die eine Öffnung
und einen Filter kombinierende Ausführungsform nach 7 im Vergleich zu der herkömmlichen
Konstruktion nach 1 eine
deutliche Nivellierung der Kraftstoffdampfströmung über dem Bereich des Motoransaugunterdrucks
zwischen 200 und 500 mm HG be wirkt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine einfache und kostengünstige Methode
zur Verfügung,
um ein vorhandenes Dampfregenerierventil zu modifizieren, um das
Auftreten einer Schallflussabdrosselung in dem Unterdruck-Signalkanal
zu verhindern, die ein Nachlaufen der Entlüftungsströmung durch das Ventil entsprechend
den Pegeländerungen des
Motoransaugrohrunterdrucks einschränken würde. Die vorliegende Erfindung
schafft somit eine im Wesentlichen konstante Dampfströmung durch
das VMV-Ventil bei hohen Pegeln des Motoransaugrohrunterdrucks (niedrigen
Absolutdrücken
in dem Ansaugrohr), insbesondere bei einem sprungartigen Schließen der
Drosselklappe ("Tip-out"), weil eine Schallflussabdrosselung
der Unterdrucksignal-Entlüftungsströmung zu
der Signaldruckkammer verhindert wird.