NO852868L - Kontrollanordning for presisjonsregulering av ventiler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kontrollanordning for presisjonsregulering av ventiler av den art som har en gjennomgående åpning som er trinnløst regulerbar ved hjelp av et ventil-legeme som er bevegbart i ventilen.

På forskjellige tekniske områder er det ofte nødvendig

ved hjelp av elektriske styresignaler å avstedkomme nøyaktig, hurtig og fleksibel regulering av ventiler av den forannevnte art, for å styre strømmen av et gassformig eller væskeformig medium til en mottager, f.eks. en kraftmaskin som drives av mediet, eller for å bevirke dosering av mediet i henhold til et forutbestemt program. Som middel for anvendelse til slike formål står det til disposisjon mange forskjellige typer av ventiler på markedet, fra enkle magnetventiler til servo-ventiler med en temmelig komplisert konstruksjon.

I slike tilfeller hvor den tilsiktede regulering krever hurtig, nøyaktig og fleksibel justering av ventilene, kan de enklere typer av elektrisk styrbare ventiler, f.eks. magnetventiler etc, ikke brukes som følge av utilstrekkelige reguleringskarakteristikker. På grunn av dette er det nødvendig i slike tilfeller å anvende reguleringsventiler med vesentlig mer komplisert konstruksjon, hvilket ofte er tilfellet, f.eks.

i servo-systemer hvor de elektrisk styrte servo-ventiler kan være overordentlig kompliserte. En ofte anvendt type servo-ventiler kan således omfatte en elektrisk styrt pilotventil som styrer en pilotstrømning som på sin side påvirker ventil-

legemet i en tilkoblet reguleringsventil som styrer en annen reguleringsstrøm som på sin side påvirker ventil-legemet i hovedventilen avhengig av de elektriske styresignaler som leveres til pilotventilen. Innvirkningen av treghetskrefter, strømnings-motstand og friksjonskrefter som virker på elementene i servo-ventilen setter grenser for de reguleringskarakteristikker som kan bli oppnådd, hvilket ofte gjør det umulig å oppnå slike reguleringskarakteristikker som ellers ville være ønskelige.

Som et eksempel på et teknisk område hvor det har vært et lenge følt behov for raske, nøyaktige og fleksible ventil-reguleringsanordninger, er brennstoffinnsprøytingen i dieselmotorer. Innsprøyting og tenning av brennstoffet i dieselmotorer finner sted før stemplet under kompresjonsslaget har nådd sitt øvre dødpunkt. Dette resulterer i en meget sterk øyeblikkelig økning i trykk, som ikke bare utsetter stempler og lagre for store påkjenninger, men også frembringer et motsatt rettet dreiemoment som reduserer virkningsgraden av motoren.

Som følge av dette har det vært et lenge følt ønske å være i stand til å regulere brennstoffinnsprøytingen under innsprøytings-takten slik at til å begynne med blir bare en liten brennstoffmengde innsprøytet, mens hoveddelen av brennstoffet ikke blir innsprøytet før stemplet har nådd sitt øvre dødpunkt. Enda et annet formål i forbindelse med brennstoffinnsprøyting i dieselmotorer som, av tidligere nevnte grunner, hittil har vist seg umulig å oppnå, er evnen til å styre injeksjonstakten i avhengighet av denøyeblikkelige belastning på motoren, for å optimalisere energi-virkningsgraden ved full belastning såvel som ved delvis belastning.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe

en kontrollanordning av den innledningsvis nevnte art, som muliggjør en meget hurtig, eksakt og fleksibel regulering av den gjennomgående åpning i ventiler og trinnløs, ekstremt fin-gradert styring også av meget små bevegelser og hurtige sekven-ser eller forløp, samtidig som det tilveiebringes en ukomplisert konstruksjon som følge av at antallet av reguleringselementer reduseres til et minimum. Et annet formål er å tilveiebringe en kontrollanordning av den nevnte art, hvor innvirkningen av treghetskrefter, strømningsmotatand og friksjonskrefter er eliminert eller vesentlig redusert.

De foran angitte formål blir oppnådd ved hjelp av en anordning som nærmere angitt i patentkravene.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives under henvisning til et utførelseseksempel ifølge oppfinnelsen, for regulering av brennstoffinnsprøyting i dieselmotorer, og under henvisning til de tilhørende tegninger, hvor: Fig. 1 er et lengdesnitt gjennom en ventil ifølge oppfinnelsen, beregnet for regulering av brennstoffinnsprøytingen i en dieselmotor, og

fig. 2 viser skjematisk et system for regulering av brennstoffinnsprøytingen i en 4-sylindret dieselmotor hvor kontrollanordningen ifølge oppfinnelsen omfatter ventiler av den art som er vist på fig. 1.

Den innsprøytingsventil som er vist på fig. 1 omfatter

et sylindrisk hus 1 hvis ene ende har en fremstikkende utvendig gjenget del 2. Denne del 2 har en plan endevegg 3 i tettsluttende berøring med en tilsvarende plan endevegg 4 på en innsprøytingsdyse 5. Dysen 5 er ved hjelp av en innvendig gjenget mutter 6 festet til den aksielt fremstikkende del 2 på huset 1. Innsprøytingsdysen 5 er på i og for seg kjent måte forsynt med en dyseåpning 7 omgitt av et sete 8 og et ringformet kammer 9. Dysen 5 omfatter også en dysenål 10 som er aksielt forskyvbar i en sylindrisk boring 11 i dysen, hvor dysenålen er trinnløst innstillbar mellom en lukket stilling i tettsluttende anlegg mot setet 8 som omgir dyseåpningen 7, og en fullt åpen stilling for gjennomgående strømning av brennstoff gjennom dyseåpningen 7. Ringkammeret 9 er ved hjelp av en passasje 12 forbundet med et ringformet spor 13 i den øvre plane flate 3 på dysen 5. Dysen 5 tilføres brennstoff gjennom en passasje 14 i den sylindriske vegg på huset 1, hvilken passasje er åpen inn i sporet 13 i den øvre flate 3 på dysen 5. Passasjen 14 strekker seg i lengderetningen av huset 1 og er åpen inn i en tilkoblingsstuss 15 ved den motsatte ende av huset 1. Ved hjelp av en tilførselsledning som ikke er vist på figuren er stussen forbundet med en brennstoffkilde som ikke er vist, for tilførsel av dieselbrennstoff under trykk til dysen.

I henhold til oppfinnelsen er innsprøytingsnålen 10,

som har form som et forskyvbart ventil-legeme, stivt forbundet med den ene ende av et reguleringselement 16 i form av en stav av gigant-magnetostriktivt materiale. Den motsatte ende av reguleringselementet er festet til en stiv bærekonstruksjon, som i den brennstoffinnsprøytingsventil som er vist på fig. 1, består av den øvre endedel av huset 1. Den øvre ende av det stav-lignende reguleringselement 16 er således stivt festet til endeveggen 17 i det sylindriske hus 1, f.eks. ved å være skrudd inn i en gjenget boring i endeveggen 17. Endeveggen 17 er på sin side utvendig gjenget og skrudd inn i den øvre endedel av huset 1, som er forsynt med tilsvarende innvendige gjenger.

Den mekaniske forbindelse mellom den nedre ende av det stav-lignende reguleringselement 16 og dysenålen omfatter en sylindrisk flens 18 som strekker seg på tvers av og understøtter den ene ende av en trykkfjær 19 som strekker seg koaksialt i forhold til reguleringselementet 16. Den motsatte ende av trykkfjæren 19 understøttes i anlegg mot en skillevegg 20 som strekker seg på tvers inne i huset 1. Skilleveggen 20 er forsynt med en gjennomgående åpning som reguleringselementet 16 strekker seg gjennom, idet dimensjonene av åpningen er valgt slik at det fremkommer en viss klaring mellom det stav-lignende reguleringselement og kantene av åpningen. Trykkfjæren 19 gir opphav til en strekkspenning i reguleringselementet 16, og fjær-karakteristikken bør velges slik at det opprettholdes en i det vesentlige konstant for-spenning i reguleringselementet 16 innenfor dettes tilsiktede bevegelsesområde. Grunnene til denne for-spenning skal omtales mer detaljert senere.

Det stav-lignende reguleringselement 16 er videre omgitt av en magnetspole 21 anbrakt i huset 1 i det rom som begrenses av den nedre skillevegg 20, den øvre endevegg 17 og ytterveggen på huset 1. Det er anordnet en viss klaring mellom innsiden av magnetspolen 21 og overflaten av reguleringselementet 16.

De elektriske tilkoblinger 22 til magnetspolen 21 går på tvers gjennom huset 1 ved den øvre del av dette og forbindes med en elektrisk strømkilde som ikke er vist på fig. 1. Strøm-kilden leverer til spolen 21 elektrisk strøm i avhengighet av digitale eller analoge elektriske signaler fra en styre-enhet som ikke er vist på fig. 1, og som styrer tilførselen av strøm til magnetspolen i avhengighet av det forutbestemte program. Den elektriske strømkilde og styreenheten som inngår i anord-ningen er imidlertid indikert i det skjematisk illustrerte system for regulering av brennstoffinnsprøytingen i en 4-sylindret dieselmotor, som er vist på fig. 2. Før systemet i henhold til fig. 2 blir omtalt mer i detalj, skal de spesielle egenskaper ved reguleringselementet i henhold til oppfinnelsen forklares nærmere som følger.

Et grunnleggende spesielt trekk ved foreliggende oppfinnelse er at reguleringselementet 16 som tidligere nevnt,

er laget av et såkalt gigant-magnetostriktivt materiale, f.eks. en legering av sjeldne jordmetaller, såsom samarium (Sm), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), tulium (Tm) og magnetiske overgangsmetaller såsom jern (Fe), kobolt (Co) og nikkel (Ni). Denne gruppe av legeringer har den

største magnetostriksjon som hittil er kjent, f.eks. med den evne at de undergår en dimensjonsendring under innvirkning av et magnetfelt, hvilken dimensjonsendring er proporsjonal til intensiteten av magnetfeltet. Det er funnet at størrelsen av magnetostriksjonen i disse materialer ligger i et helt annet område enn det som er tilfellet med vanlige magnetostriktive materialer, f.eks. jern/nikkel. Som et eksempel kan det således nevnes at for et visst magnetfelt undergår jern/nikkel en lengdeforandring på 20 - 30 ym/m, mens en legering av f.eks. terbium/dysprosium/jern undergår en lengdeforandring på 1700 ym/m. Den lengdeforandring som gigant-magnetostriktive materialer utsettes for under innvirkning av magnetfeltet, kan være positiv eller negativ, f.eks. kan resultatet ved visse av sammensetningene være en økning i lengde og ved andre sammensetninger en reduksjon i lengde. Begge typer gigant-magnetostriktive materialer kan anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse. Innenfor gruppen av gigant-magnetostriktive materialer varierer størrelsen av magnetostriksjonen under påvirkning av et visst magnetfelt, og det foretrekkes selvsagt å bruke gigant-magnetostriktive materialer som har de mest utpregede magnetostriktive egenskaper i utførelsesformene i henhold til foreliggende oppfinnelse. I utførelsene ifølge oppfinnelsen blir det således foretrukket å anvende legeringer mellom terbium, dysprosium og jern eller legeringer mellom samarium og jern. Av de nevnte legeringer gir de førstnevnte opphav til en økning i lengde under innvirkning av et økende magnetfelt, mens den sistnevnte legering undergår en reduksjon i lengde under påvirkning av det nevnte magnetfelt.

For å oppnå tilfredsstillende resultater under bruk bør reguleringselementet for-spennes i en retning motsatt av den virkelige bevegelsesretning under påvirkningen av magnetfeltet. Grunnen til dette er at en for-spenning motvirker mekanisk hysterese i det magnetostriktive materiale. Størrelsen av den nødvendige for-spenning er forskjellig for ulike magnetostriktive materialer. For et gigant-magnetostriktivt materiale omfattende f.eks. én legering mellom terbium, dysprosium og jern i forholdet Tbg 27D^o 73Fel 95' ^)9)r f°r-sPennin<?en sanun.en med belastningen være så stor som 12 MPa. Magnetostriktive materialer av den art som undergår en økning i lengde under påvirkning av magnetfeltet bør-for-spennes med kompresjon, mens magnetostriktive materialer som får redusert lengde under påvirkning av magnetfeltet, bør for-spennes med strekkpåkjenning. Forspenningen kan tilveiebringes ved hjelp av en mekanisk fjær med passende karakteristikk, som illustrert på fig. 1, hvor fjæren 19 er innrettet til å avstedkomme en strekkspenning i reguleringselementet 16, slik som tidligere beskrevet.

Når reguleringselementet arbeider, d.v.s. er utsatt for

en lengdeforandring under påvirkning av magnetfeltet, vil det magnetostriktive materiale såvel som magnetspolen frembringe varme. Varmegenereringen resulterer i en lineær termisk ekspansjon av materialet. For å holde et nøyaktig null-punkt i systemet, må dimensjonsendringen som følge av den nevnte varmegenerering, kompenseres for. Dette kan utføres ved å

velge materialer som har samme eller nesten samme termisk varme-ekspansjonskoeffisient, eller ved å ta forholdsregler til å holde temperaturen konstant. Varmeutvidelsen kan også kompenseres for ved hjelp av et aktivt kompensasjonssystem. Tidskonstanten for den magnetostriktive bevegelse er meget kort, mens tidskonstanten for varmebevegelsen er vesentlig større relativt sett, og som følge av dette kan kompensasjonen med hensyn til temperatur lett bli oppnådd ved hjelp av en langsom reguleringsinnretning. Hvis reguleringssystemet som skjematisk vist på fig. 2, omfatter et tilbakekoblingssystem i henhold til hvilket man måler bevegelsen av reguleringselementet, d.v.s. den øyeblikkelige posisjon av reguleringselementet detekteres, og de således frembrakte elektriske signaler føres tilbake til reguleringskretsen, er det mulig å kompensere for den lineære termiske ekspansjon.

Den brennstoffinnsprøytingsventil som er vist på fig. 1 arbeider på følgende måte. Når det tilføres strøm til magnetspolen 21 fra den elektriske strømkilde, frembringes det et magnetfelt i magnetspolen, hvis aksielle retning er parallell med den påtenkte bevegelsesretning av reguleringselementet 16. Magnetfeltet bevirker en dimensjonsforandring i reguleringselementet som består av gigant-magnetostriktivt materiale.

Da reguleringselementet i det på fig. 1 viste eksempel er forutsatt å være laget av et gigant-magnetostriktivt materiale av den art som undergår en reduksjon i dimensjon under påvirkning av et magnetfelt, avtar lengden av reguleringselementet 16. Dette resulterer i at innsprøytingsnålen 10, som i utgangs-stillingen var i tettsluttende berøring mot setet 8, blir løftet bort fra setet og dermed tillater at brennstoff inn-sprøytes gjennom den ringformede innsprøytingsåpning under påvirkning av trykket i brennstoff-innsprøytingspassasjen 12. Ved trinnløs justering av de styresignaler som tilføres strøm-kilden ved hjelp av en styreinnretning som ikke er vist, blir størrelsen av innsprøytingsåpningen 7 trinnvis variabel under innsprøytingstakten eller -sekvensen, slik at man får en trinnløs variasjon av den mengde brennstoff som innsprøytes pr. tidsenhet. Det skal påpekes at endringen av regulerings-elementets 16 lengde under påvirkning av magnetfeltet finner sted under minimal innvirkning av treghetskrefter etc., hvilket muliggjør en meget hurtig, trinnløs og eksakt justering av dysenålen og følgelig en nøyaktig regulering av den mengde brennstoff som innsprøytes pr. tidsenhet. Selv om brennstoff-innsprøytingen skjer under en meget kort tidsperiode gjør foreliggende oppfinnelse det mulig å foreta en nøyaktig regulering av den brennstoffmengde som innsprøytes pr. tidsenhet under innsprøytingstakten, hvilket tidligere ikke kunne bli oppnådd.

Fig. 2 viser meget skjematisk en utførelse i henhold til oppfinnelsen for regulering av brennstoffinnsprøytingen i en 4-sylindret dieselmotor, skjematisk representert på tegningen og forsynt med henvisningstall 23, mens motorens veivaksel er gitt henvisningstallet 24. For brennstoffinnsprøyting i hver av sylindrene på dieselmotoren, er hver av disse forsynt med en brennstoffinnsprøytingsventil 25, 26, 27 og 28 av den art som er beskrevet under henvisning til fig. 1. På fig. 2 er ventilene 25 - 28 representert bare ved reguleringselementet 16 og magnetspolen 21. Hver spole 21 tilføres strøm fra en separat strømgenerator 29, 30, 31 og 32. Hver av disse strøm-genererende kilder er ved hjelp av en individuell elektrisk styreledning 33, 34, 35, 36 forbundet med en særskilt utgang på utgangssiden av en regulerings- eller styreinnretning 37 som består av en datamaskin. En innsprøytingsalgoritme 40 er registrert i datamaskinen, og algoritmen definerer nøyaktig innsprøytingsprosessen i avhengighet av et antall utvalgte parametre, f.eks. cetan-tallet, belastningstype (full belastning eller delvis belastning) etc., hvilke parametre innstilles i form av panelverdier 41 på inngangssiden 39 av datamaskinen. Posisjonene av stemplet i sylindrene detekteres fra veiv-

akselen 24 ved hjelp av en vinkelgiver 42 som avgir styresignaler som representerer veivakselens vinkel, vinkelhastighet og akselerasjonsvinkel, hvilke signaler føres gjennom en ledning 43 til en inngang på inngangssiden 3.9 av datamaskinen. Ved hjelp av en temperaturgiver avføles temperaturen i avgassen og signalene fra giveren føres gjennom en ledning 44 til en inngang på inngangssiden av datamaskinen. I den utførelse som er illustrert på fig. 2 er brenstoffinnsprøytingsventilene 25 - 28 forsynt med f.eks. optiske givere 45 som angir den øyeblikkelige posisjon av dysenålen i hver ventil, og avgir elektriske signaler i avhengighet av vedkommende posisjon til innganger 46 - 49 på inngangssiden av datamaskinen. Dette gir en posisjons-tilbakekobling som muliggjør en posisjonsregulering uavhengig av innvirkning av temperatur-fluktuasjon, slik at det kontinuer-lig kan sikres sammenfall mellomønskede betingelser og virkelige betingelser. Den ovenfor beskrevne utførelse illustrerer således de muligheter som forefinnes ved å anvende kontrollanordningen ifølge foreliggende oppfinnelse f.eks. til regulering av brennstoffinnsprøytingen i en dieselmotor på en nøyaktig, hurtig og fleksibel måte for å avstedkomme forbedret virknings-grad og redusert slitasje, samtidig som den muliggjør fleksibel justering efter forskjellige arbeidsbetingelser.

Oppfinnelsen, som ovenfor er beskrevet under henvisning

til en utførelse i tilknytning til brennstoffinnsprøyting i dieselmotorer, er ikke på noen måte begrenset til dette spesielle område, men kan anvendes på mange forskjellige områder hvor det er et behov for nøyaktig regulering av ventiler av den art som har en gjennomgående åpning som er trinnløst innstillbar ved hjelp av et ventil-legeme som er bevegbart i ventilen. Oppfinnelsen er spesielt velegnet for bruk i ventiler hvor reguleringsbevegelsen av ventil-legemet har en begrenset størrelse i absolutte tall, men innenfor rammen av oppfinnelsen er det også mulig å tenke seg slike utførelsesformer hvor lengde-forandringen av det magnetostriktive reguleringselement blir forsterket til en bevegelse som har øket størrelse ved hjelp av

kjente forsterkningsmekanismer som kan være fra en enkel arm-mekanisme til mer kompliserte systemer.

Claims (9)

1. Reguleringsmekanisme for presisjonsregulering av ventiler hvis gjennomgående åpning er trinnløst innstillbar ved hjelp av et ventil-legeme (10) som er stivt forbundet med den ene ende av et reguleringselement, karakterisert ved at reguleringselementet omfatter et element fortrinnsvis i form av en stav av gigant-magnetostriktivt materiale bestående av en legering mellom sjeldne jordmetaller og jern, kobolt eller nikkel, spesielt en legering mellom et eller flere av terbium, dysprosium, samarium, og jern, at den motsatte ende av reguleringselementet (16) er festet til en stiv bærekonstruksjon, og at reguleringselementet (16) er omgitt av en magnetspole (21) som frembringer et magnetfelt som er variabelt avhengig av tilførsel av strøm til magnetspolen (21), samt en reguleringsinnretning (37) som er innrettet til å styre tilførselen av strøm til magnetspolen i henhold til et forutbestemt program i avhengighet av utvalgte parametre og således under hele strømningsprosessen å regulere den øyeblikkelige størrelse av den gjennomgående åpning i ventilen.

2. Kontrollanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at reguleringselementet (16) er for-spent i sin tilsiktede bevegelsesretning.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at reguleringselementet (16) er laget av et gigant-magnetostriktivt materiale med slik sammensetning at materialet undergår en reduksjon i dimensjon når intensiteten av magnetfeltet øker.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at reguleringselementet (16) er laget av en legering mellom samarium og jern.

5. Anordning ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at reguleringselementet (16) for-spennes ved hjelp av en fjær (19) som avstedkommer en i det vesentlige konstant strekkpåkjenning i reguleringselementet.

6. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at reguleringselementet (16) er laget av et gigant- magnetostriktivt materiale som er slik sammensatt at materialet undergår en dimensjonsøkning når intensiteten av magnetfeltet øker.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at reguleringselementet (16) er laget av en legering mellom terbium, dysprosium og jern.

8. Anordning ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at reguleringselementet fors <p> ennes ved hjelp av en fjær (19) som avstedkommer en i det vesentlige konstant trykk-påkjenning i reguleringselementet.

9. Kontrollanordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at reguleringsinnretningen omfatter en datamaskin (37) og en styrealgoritme (40) registrert i datamaskinen og svarende til detø nskede reguleringsprogram, og en strøm-genererénde kilde (29 - 32) forbundet med magnetspolen (21) for å levere strøm til spolen, hvilken datamaskin (37) i avhengighet av inngangssignaler på datamaskinens inn-gangsside (39) svarende til forutbestemte parametre, avgir utgangssignaler til strømgeneratoren bestemt av styre-algoritmen for regulering av den strøm som leveres til magnetspolen (21) i henhold til det ønskede reguleringsprogram.