DE3225179A1

DE3225179A1 - Drucksteuerventil

Info

Publication number: DE3225179A1
Application number: DE19823225179
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 7015 Korntal Kubach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1982-07-06
Publication date: 1984-01-12
Also published as: US4509715A; DE3225179C2

Description

R. λ ■ ·:- / ί

16.6.1982 Kh/Wl

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Drucksteuerventil
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drucksteuerventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Drucksteuerventil vorgeschlagen worden, bei dem zwischen dem Erregerstrom I für den Elektromagneten und der durch das Drucksteuerventil gesteuerten Druckdifferenz für einen Erregerstrom I größer Null eine lineare Charakteristik "besteht. Zur Erzielung dieser linearen Charakteristik ist eine nichtlineare Elektronik vorgesehen, für die ein erheblicher Aufwand und Kosten erforderlich sind. Ferner ist die Stabilität des Systems bei einem Erregerstrom I gleich Null oder nahe Null kritisch, da schon kleine Änderungen des Erregerstromes I große Änderungen der Druckdifferenz zur Folge haben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Drucksteuerventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß zwischen dem Erregerstrom I des Elektromagneten und der gesteuerten Druckdifferenz am Drucksteuerventil eine nichtlineare Charakteristik, insbesondere für einen Srregerstrom I größer Null in Forin eines Ausschnittes einer

Parabel zweiter Ordnung, besteht, wodurch die Elektronik vereinfacht wird. Außerdem wird der gesteuerte Differenzdruck bei einem Erregerstrom von I gleich Null oder nahe Null stabilisiert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksteuerventiles möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert· Es zeigen Figur 1 eine Kraftstoff einspr it zanlage mit einem Drucksteuerventil, Figur eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksteuerventiles, Figur 3 eine Führungsmembran eines Drucksteuerventiles nach Figur 3, Figur k ein Diagramm, das den Verlauf des am Drucksteuerventil gesteuerten Differenzdruckes Λ ρ, den Drehmomentenverlauf M und den Drehwinkel "f in Abhängigkeit vom Erregerstrom I zeigt.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Bei der in Figur 1 beispielsweise dargestellten Kraftstoffeinsprit zanlage sind mit T Zumeßventile dargestellt, wobei jedem Zylinder einer nichtdargesteilt en gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine ein Zumeßventil 1 zugeordnet ist, an dem eine zur von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge in einem bestimmten Verhältnis stehende Kraftstoffmenge zugemessen wird. Die dargestellte Kraftstoffeinspritzanlage weist vier Zumeßventile 1 auf und ist somit für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine bestimmt. Der Querschnitt der Zumeßventile ist beispielsweise

-z- ^R · ' ^: ■> ι

*■

gemeinsam, wie angedeutet, durch ein Betätigunglll'fffllnt in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine

änderbar, beispielsweise in bekannter Weise in Abhängigkeit von der durch die Brennkraftmaschine angesaugten Lüftmenge. Die Zumeßventile 1 liegen in einer Kraftstoffversorgungsleitung 3, in die von einer durch einen Elektromotor k angetriebenen Kraftstoffpumpe 5 aus einem Kraftstoffbehälter 6 Kraftstoff gefördert wird. In der Kraftstoffversorgungsleitung 3 ist ein Druckbegrenzungsventil 9 angeordnet, das den in der Kräftstoffversorgungsleitung 3 herrschenden Kraft stoffdruck begrenzt und bei Überschreiten Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter 6 zurückfließen läßt.

Stromabwärts jedes Sumeßventiles 1 ist eine Leitung 11 vorgesehen, über die der zugemessene Kraftstoff in eine Regelkammer 12 eines jedem Zumeßventil 1 gesondert zugeordneten Regelventiles 13 gelangt. Die Regelkammer 12 des Regelventiles 13 ist durch ein beispielsweise als Membran lh ausgebildetes bewegliches Ventilteil von einer Steuerkammer 15 des Regelventiles 13 getrennt. Die Membran 1U des Regelventiles 13 arbeitet mit einem in der Regelkammer 12 vorgesehenen festen Ventilsitz i6 zusammen, über den der zugemessene Kraftstoff aus der Regelkammer 12 zu den einzelnen Einspritzventilen 10 von denen nur eines dargestellt ist, im Saugrohr der Brennkraftmaschine strömen kann. In der Steuerkammer 15 ist eine Schließfeder 17 angeordnet, durch die bei abgestellter Brennkraftmaschine die Membran 1U am Ventilsitz 16 gehalten wird.

Von der Kraftstoffversorgungsleitung 3 zweigt eine Leitung 19 ab, die über ein elektromagnetisch betätigbares Drucksteuerventil 20 in Düse-Prallplatte-Bauart in eine

R.

Steuerdruckleitung 21 mündet. Stromabwärts des Drucksteuerventiles 20 sind in der Steuerdruckleitung 21 die Steuerkammern 15 der Regelventile 13 und stromabvärts der Steuerkammern 15 ist eine Steuerdrossel 23 angeordnet Über die Steuerdrossel 23 kann Kraftstoff aus der Steuerdruckleitung 21 in eine Abströmleitung 2k strömen. Die Ansteuerung des Drucksteuerventiles 20 erfolgt über ein elektronisches Steuergerät 32 in Abhängigkeit von entsprechend eingegebenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine wie Drehzahl 33, Drosselklappenstellung 3^, Temperatur 35) Abgaszusammensetzung (Sauer stoffsonde) 36 und anderen. Die Ansteuerung des Drucksteuerventiles 20 durch das elektronische Steuergerät 32 kann dabei analog oder getaktet erfolgen. Bei nicht erregtem Zustand des Drucksteuerventiles 20 kann durch geeignete Federkräfte oder Permanentmagneten das Drucksteuerventil 20 so ausgelegt sein, daß sich am Drucksteuerventil 20 eine Druckdifferenz einstellt, die auch bei Ausfallen der elektrischen Ansteuerung einen Notlauf der Brennkraftmaschine gewährleistet.

Das beispielsweise in der Zeichnung dargestellte Druckbegrenzungsventil 9 weist einen Regelkolben 27 auf, der vom Kraft stoffdruck in der Leitung 19 entgegen der Kraft einer Regelfeder 28 verschoben werden kann, so daß über eine Regelkante 29 Kraftstoff aus der Leitung 19 in eine Rückströmleitung 30 strömen und zum Kraftstoffbehälter zurückfließen kann. Durch den öffnenden Regelkolben 27 kann gleichzeitig ein Absperrventil 31 geöffnet werden. Hierfür greift der öffnende Regelkolben 27 bei fördernder Kraftstoffpumpe 5 an einem Betätigungsstift 38 an, der das bewegliche Ventilteil 39 des Absperrventils 31 entgegen der Kraft einer Absperrfeder Uo in Öffnungsrichtung verschiebt. Wird die Brennkraftmaschine abgestellt,

- γ -, R, -ί ^{; y} Π

so erfolgt durch die Elektrokraftstoffpumpe k, 5 keine Kraftstofförderung mehr, und das Druckbegrenaungsventil 9 schließt. Gleichzeitig verschiebt die an dem Betätigungsstift 38 angreifende Absperrfeder ^O das bewegliche Ventilteil 39 des Absperrventils 31 in. Schließstellung.

Stromabwärts der Steuerdrossel 23 gelangt der Kraftstoff in die Abströmleitung 2k, in der auch das Absperrventil 31 angeordnet ist. Bei nicht fördernder Kraftstoffpumpe wird somit durch das geschlossene Absperrventil 31 verhindert, daß Kraftstoff aus der Steuerdruckleitung 21 auslecken kann und damit erreicht, daß die Kraftstoffeinspritzanlage für einen erneuten Start der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff gefüllt bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksteuerventiles 20 ist in Figur 2 dargestellt. Dabei ist zwischen eine untere Gehäusehälfte 72 und eine obere Gehäusehälfte 73 eine Führüngsmembran 7^ eingespannt, die in Figur 3 in Draufsicht dargestellt ist. Mit 75 ist eine •Zuflußöffnung bezeichnet, die mit der Leitung 19 und damit mit der Kraftstoffversorgungsleitung 3 in Verbindung steht. Die Zuflußöffnung 75 mündet über eine vertikal gerichtete, als Steuerventilsitz dienende Düse 7β in einen von der unteren Gehäusehälfte 72 und der oberen Gehäusehälfte 73 umschlossenen Arbeitsraum 77· Von dem Arbeitsraum 77 führt eine Abflußöffnung 78, beispielsweise in der oberen Gehäuse-' halfte 73 ausgebildet, zur Steuerdruckleitung 21. Die Führungsmembran T^ weist einen zwischen den beiden Gehäusehälften 72, 73 eingespannten Einspannbereich 79 auf. Aus der Führungsmembran 7^ ist ein Steuerbereich 80 ausgespart, der einerseits mit einem Torsionsbereich 81 verbunden ist, während sein anderes Ende frei bewegbar ist. Dem Steuerbereich 80 abgewandt ist ein ebenfalls aus der Führungsmembran 7^

— /5 — R ι f. '

A A

ausgesparter Federbereich 82 mit dem Torsionsbereich 81 verbunden. Eine Druckfeder 83 stützt sich einerseits an der oberen Gehäusehälfte 73 und andererseits an dem Federbereich 82 ab und drückt diesen Federbereich gegen eine Einstellschraube Qk, die in die untere Gehäusehälfte 72 eingeschraubt ist und in den Arbeitsraum 77 ragt. Durch axiales Verstellen der Einstellschraube 8U erfolgt eine entsprechende Verspannung des Federbereiches 82, wodurch der Steuerbereich 80 mehr oder weniger gegen die aus der unteren Gehäusehälfte 72 in den Arbeitsraum 77 ragenden Düse 76 bewegt wird. Hierdurch läßt sich auch erreichen, daß bei größeren geregelten Druckdifferenzen ein überproportionales Verhältnis zwischen Druckdifferenz und Erregerstrom des Steuerdruckventiles 20 besteht. Der als Prallplatte dienende Steuerbereich 80 bildet somit mit der Düse 7β ein Ventil nach der Düsen-Prallplatte-Bauart. Symmetrisch zu dem eine Torsionsachse bildenden Torsionsbereich 81 ist ein scheibenförmiger Anker 85 angeordnet und mit dem Steuerbereich 80 verbunden. Dabei durchgreift der Anker 85 mit einem Ansatz 86 einen Durchbruch 87 im Steuerbereich 80 während ein weiterer Ansatz 88 des Ankers andererseits des Torsionsbereiches 81 einen Durchbruch 89 durchfagt. Die federelastische Lagerung ist nahezu reibungsfrei, so daß Hysterese vermieden wird. Durch die untere Gehäusehälfte 72 ragt ein Polschuh 90 auf den Ansatz 86 des Ankers 85 ausgerichtet in den Arbeitsraum 77₅ während ein weiterer Polschuh 91 ebenfalls durch die untere Gehäusehälfte 72 auf den Ansatz 88 des Ankers 85 ausgerichtet in den Arbeitsraum 77 ragt. Zwischen dem Polschuh 90 und dem Ansatz 86 wird ein Luftspalt 92 und zwischen dem Ansatz 88 und dem Polschuh 9I ein Luftspalt 93 gebildet. Fluchtend zum Polschuh 90 ragt durch die obere Gehäusehälfte 73 ein Polschuh 9U in den Arbeitsraum und fluchtend zu dem Polschuh 91 ein Polschuh 95· Zwischen dem Polschuh 9^ und der zugewandten Stirnfläche 96 des An-

kers 85 wird ein Luftspalt 97 und zwischen dem Polschuh und der Stirnfläche 96 ein Luftspalt 98 gebildet. Zwischen den Polschuhen 90 und 9I und andererseits 9¹* und 95 ist eine die Gehäusehälften 72, 73 umgreifende Elektromagnetspule 99 angeordnet. Die Polschuhe 9^-» 95 sind gabelförmig an einem Joch 100 ausgebildet, das die Elektromagnet spule 99 umgreift und andererseits an einem Permanentmagneten 101 anliegt, an dem andererseits ein Joch 103 angreift, an dem die Polschuhe 90, 91 ausgebildet sind und das andererseits die Magnetspule 99 umgreift. In nicht erregtem Zustand der Elektromagnet spule 99 wird entsprechend der über die Einstellschraube Qk und den Federbereich 82 an dem Steuerbereich 80 vorgegebenen Spannung zwischen der Düse 76 und dem Steuerbereich 80 eine Druckdifferenz Δ ρ (Figur k) eingeregelt, die eine ausreichende Kraftstoffzumessung im Normalbetrieb oder für einen Notlauf der Brennkraftmaschine bei Ausfall des elektronischen Steuergerätes 32 erlaubt. Die Joche 100 und 103 werden durch den Permanentmagneten 101 magnetisch polarisiert, so daß beispielsweise das Magnetfeld des Permanentmagneten 101 einerseits von dem Joch 100 über den Polschuh 95, den Luftspalt 98, den Anker 85, den Luftspalt 93, den Polschuh 91 zum Joch 103 verläuft und andererseits über den Polschuh 9U, den Luftspalt 97, den Anker 85, den Luftspalt 92, den Polschuh 90 zum Joch 103. Im nichterregten Zustand der Elektromagnet spule 99, also bei einem Erregerstrom 1=0, sollen die Permanentmagnetkräfte am Anker 85 kein wesentliches Drehmoment hervorrufen, so daß an der Düse 7β des Drucksteuerventiles 20 eine Druckdifferenz Δ ν

' O

geregelt wird, wie in Figur h dargestellt ist, die von der Magnetisierung des Permanentmagneten 101 unabhängig und somit besonders konstant ist.

40 - £ - R- 1/377

Wird nun ein positiver Erregerstrom I der Elektromagnetspule 99 zugeführt, so baut sich ein Elektromagnetfeld in bestimmter Richtung auf, z.B. einerseits vom Polschuh 95 über den Luftspalt 98, den Anker 85, den Luftspalt 97 zum Polschuh 9^ und andererseits vom Polschuh 91 über den Luftspalt 93 zum Anker 85 und über den Luftspalt 92 zum Polschuh 90. Hierbei verläuft der magnetische Fluß von Elektromagnetfeld und Permanentfeld in den Luftspalten 92 und 98 jeweils in gleicher Richtung, sie addieren sich also, während die Magnetfelder von. Elektromagnet und Permanentmagnet in den Luftspalten 93 und 97 entgegengerichtet verlaufen, so daß sie sich subtrahieren. Hierdurch wird der Ansatz 86 des Ankers 85 stärker zum Polschuh 90 und das andere Ende des Ankers 85 stärker zum Polschuh 95 gezogen, wodurch der Steuerbereich 80 um den Torsionsbereich 81 geschwenkt mehr die Düse 76 verschließt, so daß ein größerer Differenzdruck A P geregelt wird. Dabei herrscht zwischen dem Erregerstrom I und der Druckdifferenz ^ ρ ein bestimmtes Verhältnis. Durch die Überlagerung eines Permanentmagnetkreises mit einem Elektromagnetkreis ist eine wesentlich geringere Ansteuerleistung des Elektromagnetkreises erforderlich. Außerd-em kann durch entsprechende Schwächung oder Verstärkung des Permanentmagneten 101 die Regelkennlinie des Drucksteuerventiles 20 in gewünschter Weise beeinflußt werden. Bei Umkehr der Richtung des Erregerstromes I wird der Anker 85 an den Polschuhen 9^- und 91 stärker angezogen, so daß der Steuerbereich 80 die Düse 76 weiter öffnet und an der Düse 76 nahezu keine Druckdifferenz ,Zip mehr auftritt, wodurch infolge der Addition der Kraft der Schließfeder 17 und der Kraft stoffdruckkraft in der Steuerkammer I5 die Regelventile 13 schließen. Hierdurch läßt sich beim Vorliegen von den Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Steuersignalen, z.B. Drehzahl oberhalb Leerlaufdrehzahl und Drosselklappe geschlossen bei

geringer elektrischer Leistung für das Drucksteuerventil durch Stromumkehr ein gewünschtes Unterbrechen der Kraftstoffeinspritzung erreichen.

In dem Joch 103 ist eine Vertiefung 10It vorgesehen, die zu einer magnetischen Engstelle 105 im Joch 103 führt. Durch Verkleinerung des Querschnittes der magnetischen Engstelle 105 kann der Drehwinkel ~f des Ankers 85 von einer Ausgangs* lage bei einem Erregerstrom I gleich Null bis zur Erzeugung einer gewünschten Druckdifferenz ^P reduziert werden. Von den Weicheisenjochen 100 und 103 führt je ein Streupol 106 bzw. 1OT aufeinander zu, zwischen denen ein Streuspalt 108 gebildet wird, der den magnetischen Widerstand zwischen den Jochen 100 und 103 minimiert.

Srfindungsgemäß ist die dem Anker 85 zugewandte Luftspält*- fläche 109 des Polschuhes 90 und die Luftspaltfläche 110 des Polschuhes 95 größer ausgebildet als die Luftspaltfla¹* ehe 111 des Polschuhes 91 und die Luft Spaltfläche 112 des Polschuhes 9^· Auf die Polschuhe 90, 95 bewegt sich der Anker 85 zu, um die Prallplatte 80 zur Erzeugung einer größeren Druckdifferenz-dichter an die Düse ?6 zu führen. Unter der Voraussetzung eines kleinen magnetischen Innenwiderstandes der Streupole I06, 107 können nun zwei magnetische Teilsysteme getrennt betrachtet werden. Hierfür werden für das erste magnetische Teilsystem jeweils die gestrichelt angedeuteten Polteile 95' und 90' außer Betracht gelassen, die den größeren Luftspaltflächenanteil der Polschuhe 90 und 95 gegenüber den Polschuhen 91 und 9h ergeben. Unter Abzug der Polschuhteile 90¹ und 95' haben somit alle vier Polschuhe gleiche Luftspaltflächen. Sin derart ausgebildetes magnetisches Teilsystem hat in Ab-¹-hängigkeit vom Erreger strom I einen Drehmomentenverlauf ent sprechend der strichpunktierten Linie M₁ in Figur h. Die

starke Progression der Linie M bei einem Erregerstrom I kleiner Null beruht auf dem hier sehr großen Betrag des Drehwinkels "^ des Ankers, so daß die Luftspalte 93 und 97 an den Polschuhen 91 und 9k sehr klein werden. Sobald dort das zur magnetischen Sättigung gehörende Moment M erreicht ist, nimmt das Drehmoment M₁ bei weiter sinkendem Erregerstrom I nicht mehr so stark ab.

Das zweite magnetische Teilsystem besteht aus den Polschuhteilen 90' und 95' j die nicht zum ersten magnetischen Teil- system gehören. Das Elektromagneti'eld und das Permanentmagnetfeld liegen dabei in Reihe. Bei einem Erregerstrom I gleich Null erzeugt der Permanentmagnet 101 allein das Drehmoment M aus der Permanentflußdichte. Ein Erregerstrom I ruft ein elektromagnetische Magnetflußdichte hervor, so daß sich am Anker 85 ein Drehmoment M_? entsprechend der ausgezogenen Linie in Figur k ergibt, das proportional dem Quadrat aus der Summe von Permanentflußdichte und elektromagnetischer Magnetflußdichte ist. Die Summe der Drehmomente M₁ und Mp führt zu einem Gesamtdrehmoment ΣΜ am Anker 85, das in der Figur k gestrichelt dargestellt und proportional der gesteuerten Druckdifferenz Δ ρ ist.

Somit läßt sich ein Drucksteuerventil aufbauen, bei dem sich in erwünschter Weise bei positivem Erregerstrom I zwischen dem Erregerstrom I und der zu steuernden Druckdifferenz Λ P eine nichtlineare Charakteristik, insbesondere in Form eines Ausschnittes einer Parabel zweiter Ordnung erreichen läßt, ohne Einsatz einer zusätzlichen nichtlinearen Elektronik.

Claims

5 T Λ .-γ -».

16.6.1982 Kh/Wl

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1

Ansprüche

1 .,/Drucksteuerventil mit einer Prallplatte, die einen Ventilsitz mehr oder weniger öffnet und an der ein Anker angreift, der in einem durch eine Elektromagnet spule erzeugten Elektromagnetfeld und einem Permanentmagnetfeld liegt und scheibenförmig ausgebildet zwischen je zwei beiderseits des Ankers mit Luftspalt vorgesehenen Polschuhen schwenkbar gelagert ist, wobei die jeweils auf einer Seite des Ankers liegenden Polschuhe die gleiche durch den Permanentmagneten hervorgerufene magnetische Polarität haben und das Elektromagnetfeld an einem Polschuh auf jeder Seite des Ankers in gleicher und an dem anderen und dem am Anker fluchtend gegenüberliegenden Polschuh in entgegengesetzter Richtung des Permanentmagnetfeldes verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der sich nicht fluchtend am Anker (85) gegenüberliegenden Polschuhe (90, 95), denen sich der Anker (85) bei einer Bewegung der Prallplatte (80) in Richtung zum Ventilsitz (76) hin nähert, eine größere dem Anker (85) zugewandte Luftspaltfläche (109, 110) hat als die beiden anderen Pol schuhe (91 ,
2. Drucksteuerventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden Polschuhe (90, 91; 9^, 95) auf einer Seite des Ankers (85) an einem Joch (100> 103) ausgebildet sind.

- 2 - R, OJ - -
3. Drucksteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Joche (103) eine magnetische Engstelle (105) hat.

h. Drucksteuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Joch (100, 103) je ein Streupol (106, 107) ausgebildet ist und die Streupole (1O6, 107) unter Bildung eines Streuspaltes (108) aufeinander ausgerichtet sind. ,