DE3225179C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Drucksteuerventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Drucksteuerven­ til vorgeschlagen worden (DE-OS 31 09 560), bei dem zwischen dem Erregerstrom I für den Elektromagneten und der durch das Drucksteuerven­ til gesteuerten Druckdifferenz für einen Erregerstrom I größer Null eine lineare Charakteristik besteht. Zur Er­ zielung 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 Erregerstro­ mes I große Änderungen der Druckdifferenz zur Folge haben.

Die Anwendung eines derartigen Drucksteuerventiles bei einer Kraftstoffeinspritzanlage ist durch die DE-OS 30 06 586 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand und die Kosten für die Elektronik eines derartigen Drucksteuerventils zu senken.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Dadurch erigbt sich der Vor­ teil, daß zwischen dem Erregerstrom I des Elektromagneten und der gesteuerten Druckdifferenz am Drucksteuerventil eine nichtlineare Charakteristik, insbesondere für einen Erre­ gerstrom I größer Null in Form eines Abschnittes einer Parabel zweiter Ordnung, besteht, wodurch die Elektronik vereinfacht wird. Außerdem wird der gesteuerte Differenz­ druck 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Kraft­ stoffeinspritzanlage mit einem Drucksteuerventil, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksteuerventiles, Fig. 3 eine Führungsmembran eines Drucksteuerventiles nach Fig. 3, Fig. 4 ein Diagramm, das den Verlauf des am Drucksteuerventil gesteuerten Dif­ ferenzdruckes Δ p, den Drehmomentenverlauf M und den Dreh­ winkel ϕ in Abhängigkeit vom Erregerstrom I zeigt.

Bei der in Fig. 1 beispielsweise dargestellten Kraftstoff­ einspritzanlage sind mit 1 Zumeßventile dargestellt, wobei jedem Zylinder einer nichtdargestellten gemischverdichten­ den fremdgezündeten Brennkraftmaschine ein Zumeßventil 1 zugeordnet ist, an dem eine zur von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge in einem bestimmten Verhältnis ste­ hende Kraftstoffmenge zugemessen wird. Die dargestellte Kraftstoffeinspritzanlage weist vier Zumeßventile 1 auf und ist somit für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine be­ stimmt. Der Querschnitt der Zumeßventile ist beispielsweise gemeinsam, wie angedeutet, durch ein Betätigungselement 2 Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine änderbar, beispielsweise in bekannter Weise in Abhängigkeit von der durch die Brennkraftmaschine angesaugten Luft­ menge. Die Zumeßventile 1 liegen in einer Kraftstoffver­ sorgungsleitung 3, in die von einer durch einen Elektro­ motor 4 angetriebenen Kraftstoffpumpe 5 aus einem Kraft­ stoffbehälter 6 Kraftstoff gefördert wird. In der Kraft­ stoffversorgungsleitung 3 ist ein Druckbegrenzungsventil 9 angeordnet, das den in der Kraftstoffversorgungsleitung 3 herrschenden Kraftstoffdruck begrenzt und bei Überschrei­ ten Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter 6 zurückfließen läßt.

Stromabwärts jedes Zumeßventiles 1 ist eine Leitung 11 vorgesehen, über die der zugemessene Kraftstoff in eine Regelkammer 12 eines jedem Zumeßventil 1 gesondert zuge­ ordneten Regelventiles 13 gelangt. Die Regelkammer 12 des Regelventiles 13 ist durch ein beispielsweise als Membran 14 ausgebildetes bewegliches Ventilteil von ei­ ner Steuerkammer 15 des Regelventiles 13 getrennt. Die Membran 14 des Regelventiles 13 arbeitet mit einem in der Regelkammer 12 vorgesehenen festen Ventilsitz 16 zu­ sammen, über den der zugemessene Kraftstoff aus der Re­ gelkammer 12 zu den einzelnen Einspritzventilen 10 von denen nur eines dargestellt ist, im Saugrohr der Brenn­ kraftmaschine strömen kann. In der Steuerkammer 15 ist eine Schließfeder 17 angeordnet, durch die bei abgestell­ ter Brennkraftmaschine die Membran 14 am Ventilsitz 16 gehalten wird.

Von der Kraftstoffversorgungsleitung 3 zweigt eine Lei­ tung 19 ab, die über ein elektromagnetisch betätigbares Drucksteuerventil 20 in Düse-Prallplatte-Bauart in eine Steuerdruckleitung 21 mündet. Stromabwärts des Drucksteuerventiles 20 sind in der Steuerdruckleitung 21 die Steuerkammern 15 der Regelventile 13 und stromabwärts der Steuerkammern 15 ist eine Steuerdrossel 23 angeordnet. Über die Steuerdrossel 23 kann Kraftstoff aus der Steuerdruckleitung 21 in eine Abströmleitung 24 strömen. Die Ansteuerung des Drucksteuerventiles 20 erfolgt über ein elektronisches Steuergerät 32 in Abhängigkeit von entsprechend eingegebenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl 33, Drosselklappenstellung 34, Temperatur 35, Abgaszusammensetzung (Sauerstoffsonde) 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 Kraftstoffdruck 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 6 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 40 in Öffnungsrichtung verschiebt. Wird die Brennkraftmaschine abgestellt, so erfolgt durch die Elektrokraftstoffpumpe 4, 5 keine Kraftstofförderung mehr, und das Druckbegrenzungsventil 9 schließt. Gleichzeitig verschiebt die an dem Betätigungs­ stift 38 angreifende Absperrfeder 40 das bewegliche Ven­ tilteil 39 des Absperrventils 31 in Schließstellung.

Stromabwärts der Steuerdrossel 23 gelangt der Kraftstoff in die Abströmleitung 24, in der auch das Absperrventil 31 angeordnet ist. Bei nicht fördernder Kraftstoffpumpe wird somit durch das geschlossene Absperrventil 31 ver­ hindert, daß Kraftstoff aus der Steuerdruckleitung 21 auslecken kann und damit erreicht, daß die Kraftstoff­ einspritzanlage für einen erneuten Start der Brennkraft­ maschine mit Kraftstoff gefüllt bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Druck­ steuerventiles 20 ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist zwischen eine untere Gehäusehälfte 72 und eine obere Ge­ häusehälfte 73 eine Führungsmembran 74 eingespannt, die in Fig. 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 76 in einen von der un­ teren Gehäusehälfte 72 und der oberen Gehäusehälfte 73 um­ schlossenen Arbeitsraum 77. Von dem Arbeitsraum 77 führt eine Abflußöffnung 78, beispielsweise in der oberen Gehäuse­ hälfte 73 ausgebildet, zur Steuerdruckleitung 21. Die Füh­ rungsmembran 74 weist einen zwischen den beiden Gehäusehälf­ ten 72, 73 eingespannten Einspannbereich 79 auf. Aus der Führungsmembran 74 ist ein Steuerbereich 80 ausgespart, der einerseits mit einem Torsionsbereich 81 verbunden ist, wäh­ rend sein anderes Ende frei bewegbar ist. Dem Steuerbereich 80 abgewandt ist ein ebenfalls aus der Führungsmembran 74 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 84, die in die untere Gehäusehäfte 72 eingeschraubt ist und in den Arbeitsraum 77 ragt. Durch axiales Verstellen der Einstellschraube 84 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 76 ein Ventil nach der Düse-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 auf der anderen Seite des Torsionsbereiches 81 einen Durchbruch 89 durchragt. 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 77, während ein weiterer Polschuh 91 ebenfalls durch die untere Gehäusehäfte 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 91 ein Luftspalt 93 gebildet. Fluchtend zum Polschuh 90 ragt durch die obere Gehäusehälfte 73 ein Polschuh 94 in den Arbeitsraum 77 und fluchtend zu dem Polschuh 91 ein Polschuh 95. Zwischen dem Polschuh 94 und der zugewandten Stirnfläche 96 des Ankers 85 wird ein Luftspalt 97 und zwischen dem Polschuh 95 und der Stirnfläche 96 ein Luftspalt 98 gebildet. Zwischen den Polschuhen 90 einerseits und den Polschuhen 94 und 95 andererseits ist eine die Gehäusehälften 72, 73 umgreifende Elektromagnetspule 99 angeordnet. Die Polschuhe 94, 95 sind gabelförmig an einem Joch 100 ausgebildet, das einerseits die Elektromagnetspule 99 umgreift und andererseits an einem Permanentmagneten 101 anliegt, an dem ferner ein Joch 103 angreift, an dem die Polschuhe 90, 91 ausgebildet sind und das andererseits die Magnetspule 99 umgreift. In nicht erregtem Zustand der Elektromagnetspule 99 wird entsprechend der über die Einstellschraube 84 und den Federbereich 82 an dem Steuerbereich 80 vorgegebenen Spannung zwischen der Düse 76 und dem Steuerbereich 80 eine Druckdifferenz Δ p ₀ (Fig. 4) eingeregelt, die eine ausreichende Kraftstoffzumessung im Normalbereich 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 94, den Luftspalt 97, den Anker 85, den Luftspalt 92, den Polschuh 90 zum Joch 103. Im nichterregten Zustand der Elektromagnetspule 99, also bei einem Erregerstrom I = 0, sollen die Permanentmagnetkräfte am Anker 85 kein wesentliches Drehmoment hervorrufen, so daß an der Düse 76 des Drucksteuerventiles 20 eine Druckdifferenz Δ p ₀ geregelt vird, wie in Fig. 4 dargestellt ist, die von der Magnetisierung des Permanentmagneten 101 unabhängig und somit besonders konstant ist.

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 94 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, sei 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 wird und die Düse 76 mehr verschließt, so daß ein größerer Differenzdruck Δ p geregelt wird. Dabei herrscht zwischen dem Erregerstrom I und der Druckdifferenz Δ p ein bestimmtes Verhältnis. Durch die Überlagerung eines Permanentmagnetkreises mit einem Elektromagnetkreis ist eine wesentlich geringere Ansteuerleistung des Elektromagnetkreises erforderlich. Außerdem 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 94 und 91 stärker angezogen, so daß der Steuerbereich 80 die Düse 76 weiter öffnet und an der Düse 76 nahezu keine Druckdifferenz Δ p mehr auftritt, wodurch infolge der Addition der Kraft der Schließfeder 17 und der Kraftstoffdruckkraft in der Steuerkammer 15 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 20 durch Stromumkehr ein gewünschtes Unterbrechen der Kraft­ stoffeinspritzung erreichen.

In dem Joch 103 ist eine Vertiefung 104 vorgesehen, die zu einer magnetischen Engstelle 105 im Joch 103 führt. Durch Verkleinerung des Querschnittes der magnetischen Engstelle 105 kann der Drehwinkel d des Ankers 85 von einer Ausgangs­ lage bei einem Erregerstrom I gleich Null bis zur Erzeugung einer gewünschten Druckdifferenz Δ p reduziert werden. Von den Weicheisenjochen 100 und 103 führt je ein Streupol 100 bzv. 107 aufeinander zu, zwischen denen ein Streuspalt 108 gebildet wird, der den magnetischen Widerstand zwischen den Jochen 100 und 103 minimiert.

Die dem Anker 85 zugewandte Luftspalt­ fläche 109 des Polschuhes 90 und die Luftspaltfläche 110 des Polschuhes 95 sind größer ausgebildet als die Luftspaltflä­ che 111 des Polschuhes 91 und die Luftspaltfläche 112 des Polschuhes 94. Auf die Polschuhe 90, 95 bewegt sich der Anker 85 zu, um die Prallplatte 80 zur Erzeugung einer größeren Druckdifferenz dichter an die Düse 76 zu führen. Unter der Voraussetzung eines kleinen magnetischen Innen­ widerstandes der Streupole 106, 107 können nun zwei mag­ netische Teilsysteme getrennt betrachtet werden. Hierfür werden für das erste magnetische Teilsystem jeweils die gestrichelt angedeuteten Polteile 95′ und 90′ außer Be­ tracht gelassen, die den größeren Luftspaltflächenanteil der Polschuhe 90 und 95 gegenüber den Polschuhen 91 und 94 ergeben. Unter Abzug der Polschuhteile 90′ und 95′ ha­ ben somit alle vier Polschuhe gleiche Luftspaltflächen. Ein derart ausgebildetes magnetisches Teilsystem hat in Ab­ hängigkeit vom Erregerstrom I einen Drehmomentenverlauf ent­ sprechend der strichpunktierten Linie M₁ in Fig. 4. Die starke Progression der Linie M₁ bei einem Erregerstrom I kleiner Null beruht auf dem hier sehr großen Betrag des Drehwinkels ϕ des Ankers, so daß die Luftspalte 93 und 97 an den Polschuhen 91 und 94 sehr klein werden. Sobald dort das zur magnetischen Sättigung gehörende Moment M _s 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′, die nicht zum ersten magnetischen Teilsystem gehören. Das Elektromagnetfeld und das Permanentmagnetfeld liegen dabei in Reihe. Bei einem Erregerstrom I gleich Null erzeugt der Permanentmagnet 101 allein das Drehmoment M ₀ aus der Permanentflußdichte. Ein Erregerstrom I ruft ein elektromagnetische Magnetflußdichte hervor, so daß sich am Anker 85 ein Drehmoment M₂ entsprechend der ausgezogenen Linie in Fig. 4 ergibt, das proportional dem Quadrat aus der Summe von Permanentflußdichte und elektromagnetischer Magnetflußdichte ist. Die Summe der Drehmomente M₁ und M₂ führt zu einem Gesamtdrehmoment Σ M am Anker 85, das in der Fig. 4 gestrichelt dargestellt und proportional der gesteuerten Druckdifferenz Δp 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 Δ p eine nichtlineare Charakteristik, insbesondere in Form eines Abschnittes einer Parabel zweiter Ordnung erreichen läßt, ohne Einsatz einer zusätzlichen nichtlinearen Elektronik.

Claims (4)

1. Drucksteuerventil mit einer Prallplatte, die einen Ventilsitz mehr oder weniger öffnet und an der ein scheibenförmiger Anker angreift, der in einem durch eine Elektromagnetspule erzeugten Elektro­ magnetfeld und einem Permanentmagnetfeld liegt und zwischen je zwei beiderseits des Ankers mit Luftspalt vorgesehenen Polschuhen schwenk­ bar gelagert ist, wobei die jeweils auf einer Seite des Ankers liegenden Polschuhe die gleiche durch den Permanentmagneten hervor­ gerufene magnetische Polarität haben und das Elektromagnetfeld an jeweils einem Polschuh auf der einen Seite des Ankers und dem kreuz­ weise gegenüberliegenden Polschuh auf der anderen Seite des Ankers in gleicher Richtung wie der Permanentmagnetfluß und an dem anderen Pol­ schuh der einen Ankerseite sowie dem kreuzweise gegenüberliegenden Polschuh der anderen Ankerseite in zum Permanentmagnetfluß entgegen­ gesetzer Richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen der sich kreuzweise 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) haben als die beiden anderen Polschuhe (91, 94).

2. DrucksteuerventiI nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Polschuhe (90, 91; 94, 95) auf einer Seite des Ankers (85) an je einem Joch (100, 103) ausgebildet sind.

3. Drucksteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eines der Joche (103) eine magnetische Engstelle (105) hat.

4. Drucksteuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an jedem Joch (100, 103) je ein Streupol (106, 107) ausgebildet ist und die Streupole (106, 107) unter Bildung eines Streuspaltes (108) aufeinander aus­ gerichtet sind.