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Elektromagnetisch betätigbares Steuerventil
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für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen Die Erfindung bezieht sich auf
ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
für insbesondere luf-tverdichtende Brennkraftmaschinen mit einem von einer Feder
belasteten und mit einer gegebenenfalls von einer elektrisch arbeitenden Meßwertverarbeitungseinrichtung
ansteuerbaren elektromagnetischen Stellvorrichtung in Wirkverbindung stehenden Ventilkörper,
der in einem mit zumindest einem Einlaß und einem Auslaß versehenen Gehäuse in eine
durch einen Ventilsitz begrenzte Schließstellung und in eine Öffnungsstellung axial
bewegbar ist.
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Bei .Kraftstoffeinspritzvorrichtungen von insbesondere luftverdichtenden
Brennkraftmaschinen kommt einer anpassungsfähigen und sehr genauen Steuerung (ies
inspritzbeginns und des Einspritzendes erhebliche Bedeutung zu, ui den Arbeitsprozeß
insbesondere hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Abgasemission in Abhängigkeit
der Betriebszustände der Brennkraftmaschine zu optimieren. Um hierbei neben der
Drehzahl der Brennkraftmaschine auch zahlreiche andere, die unterschiedlichen Betriebszustände
der Brennkraftmaschine kennzeichnende Meßgrößen erfassen zu können, ist es bekannt,
eine elektrisch arbeitende Meßwertverarbeitungseinrichtung und Meßwertgeber an der
Brennkraftmaschine vorzusehen, die in Abhängigkeit der ermittelten
Meßwerte
die Einspritzzeiten der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verändert bzw. regelt. Dies
geschieht beispielsweise durch ein von der elektrisch arbeitenden Meßwertver arbeitungseinrichtung
ansteuerbares elektromagnetisch betätigbares Steuerventil, das einen mit dem Hochdruckkanal
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Verbindung stehenden Abströmkanal und/oder
e-in Ansaugkanal der Einspritzpumpe beherrscht und Einspritzbeginn bzw. Einspritzende
regelt (DE-OS 20 26 665).
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Es ist ein gattungsgemäßes Steuerventil. für eine vorerwähnte Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für insbesondere luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen bekannt (DE-OS
30 02 361), bei dem umfangreiche fertigungstechnisch aufwendige Maßnahmen am Ventilkörper
des Steuerventils vorgesehen sind, um die Stellkräfte am. Ventilkörper gering zu
halten und die beispielsweise von einer Meßwertverarbeitungseinrichtung ermittelten
Einspritzsteuerzeiten des Steuerventils exakt einstellen zu können. Zur Ventilbetätigung
ist einerseits eine Druckfeder vorgesehen, die das Öffnen des Ventilkörpers bewirkt,
und andererseits eine elektromagnetische Stellvorrichtung, die im erregten Zustand
den Ventilkörper in die Schließstellung bringt. Als nachteilig hat sich bei einem
derartigen Steuerventil herausgestellt, daß aufgrund von unvermeidbaren Alterungserscheinungen
und Betriebseinflüssen der elektromagnetischen Stellvorrichtung die Ventilbetätigungsimpulse
der Meßwertverarbeitungseinrichtung nur mit Verzögerungen und somit sehr ungenau
übertragen werden, so daß ein derartiges Steuerventil für Hochdruckeinspritzsysteme
von luftverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit sehr kurzer Einspritzdauer
nicht befriedigen kann, da insbesondere der Fertigungsaufwand für den Ventilkörper
und der erhebliche Kosten- und Bauaufwand der Ventilsteuerung,
z.B.
elektrisch arbeitende Meßwertverarbeitungseinrichtung mit entsprechenden Meßwertgebern,
das Betriebsergebnis nicht rechtfertigt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetisch
betätigbares Steuerventil für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für insbesondere
luftverdichtende Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Gattung auf baulich
einfache Weise dahingehend zu verbessern, daß der Schließzeitpunkt des Ventilkörpers,
d. h. der Zeitpunkt, der festgelegt ist durch die durch den Ventilsitz begrenzte
Schließbewegung des Ventilkörpers, feststellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zu dem
Ventilkörper koaxial angeordnetes und relativ zu diesem axial bewegbares Geberelement,
das während der Schließ- und Öffnungsbewegung des Ventilkörpers an einer Stirnseite
des Ventilkörpers oder eines Ventilbetätigungselementes der elektromagnetischen
Stellvorrichtung ab--standslos in Anlage gebracht ist und durch den Schließimpuls
des Ventilkörpers im Ventilsitz von dem Ventilkörper bzw. dem Ventilbetätigungselement
abtrennbar und in eine relative Ortslage zu diesem versetzbar ist, wobei der Abtrennvorgang
in einer im Gehäuse vorgesehenen Sensorvorrichtung ein impulsförmiges Signal erzeugt,
das als Maß für den Schließzeitpunkt des Steuerventils dient.
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Bei dem erfindungsgemäß gestalteten Steuerventil wird die auf den
Ventilkörper vorzugsweise von einer Feder erzeugte Schließkraft dazu genutzt, den
Schließzeitpunkt des Ventilkörpers exakt zu bestimmen, indem im Ventilsitz zum Schließzeitpunkt
der Ventilkörper abrupt abgebremst wird, wobei sich jedoch das während der Schließbewegung
des Ventilkörpers an diesem abstandslos anliegende Geberelement
aufgrund
der kinetischen Bewegungsenergie relativ zu dem Ventilkörper weiterbewegt, so daß
zwischen dem Ventilkörper und dem Geberelement zum Schließzeitpunkt des Steuerventils
ein Luftspalt entsteht, der in der Sensorvorrichtung ein impulsförmiges Schließbeginnsignal
erzeugt, das auf einfache Weise - beispielsweise in der zur Betätigung des Steuerventils
vorzugsweise vorzusehenden elektronischen Meßwertverarbeitungseinrichtung - erfaßbar
und für die weiteren Ventilbetätigungsimpulse im Sinne eines Ausgleichs von Ubertragungsfehlern
der elektromagnetischen Stellvorrichtung entsprechend auswertbar ist. Hierdurch
ist somit auf einfache Weise sichergestellt, daß der Schließzeitpunkt des erfindungsgemäß
gestalteten Ventils exakt bestimmbar und somit steuerbar ist, so daß eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, die mit einem derartigen Steuerventil
ausgerüstet ist, den beispielsweise von einer elektronischen Meßwertverarbeitungseinrichtung
vorgegebenen Einspritzzeitpunkt unter Berücksichtigung des steuerventilspezifischen
Ubertragungsverhaltens exakt einstellt.
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Um auch den Öffnungszeitpunkt des Steuerventils exakt bestimmen zu
können, wird weiterhin vorgeschlagen, daß ein zu dem Ventilkörper koaxial angeordnetes-und
relativ zu diesem axial bewegbares Geberelement vorgesehen ist, das in der Schließstellung
des Ventilkörpers in einem axialen Abstand zu einer Stirnfläche des Ventilkörpers
bzw. des Ventilbetätigungselementes haltbar ist und durch den Offnungsimpuls des
Ventilkörpers an einer Stirnfläche des Ventilkörpers bzw. des Ventilbetätigungselementes
zur Anlage gebracht wird, wobei der Anlagevorgang in einer im Gehäuse angeordneten
Sensorvorrichtung ein impulsförmiges Signal erzeugt. Dieses Signal ist ebenfalls
auf einfache
Weise erfaßbar und kann von einer Meßwertverarbeitungseinrichtung
ausgewertet und bei der Ansteuerung des elektromagnetischen Ventils im Offnungssinne
berücksichtigt werden, so daß das Steuerventil exakt und genau öffnet und somit
beispielsweise das Einspritzende der Kraftstoffeinspritzvorrichtung unter Berücksichtigung
von Ubertragungsfehlern der Stellvorrichtung exakt und genau regelbar ist.
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Im Sinne einer baulichen und platzsparenden Vereinfachung ist es erfindungsgemäß
ebenfalls möglich, die in Anspruch 1 und Anspruch 2 vorgeschlagenen Geberelement/Sensorvorrichtungen
zur Erzeugung des Schließzeitpunkt- und Offnungszeitpunktsignals zu einer zentralen
Geberelement/Sensorvorrichtung zur Erzeugung der Steuerzeitensignale des Ventilkörpers
zusammenzufassen. Die Sensorvorrichtungen sind entsprechend Anspruch 3 im Gehäuse
derart angeordnet, daß sie sich über den stirnseitigen Bewegungsbereich des Ventilkörpers
bzw. des Ventilbetätigungselementes und der Bewegungsbereich der Geberelemente erstrecken,
wobei die Sensorvorrichtungen vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet sind und innerhalb
der Sensorvorrichtungen der Ventilkörper bzw. das Ventilbetätigungselement und das
Geberelement bewegbar sind.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Sensorvorrichtungen und der Geberelemente
im Sinne der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 7 beschrieben.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
vorgeschlagen, daß die Feder und das Ventilbetätigungselement der elektromagnetischen
Stellvorrichtung an entgegengesetzten Stirnflächen des Ventilkörpers vorgesehen
sind, wobei zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilbetätigungselement das mit der
Sensorvorrichtung zusammen
wirkende Geberelement vorgesehen ist,
wobei das Geberelement bevorzugt fest mit dem Ventilbetätigungselement verbindbar
ist. Eine derartige Anordnung ist insbesondere geeignet, gemäß der Erfindung das
Schließzeitpunkt- und Öffnungszeitpunktsignal des Ventilkörpers zu erzeugen. Die
elektromagnetische Stellvorrichtung bewirkt hierbei bevorzugt die für das Öffnen
des Ventilkörpers notwendige Kraft, und die Feder ist vorzugsweise aus Druckfeder
ausgebildet und erzeugt somit die Schließbewegung des Ventilkörpers.
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Als Abstandshalter des Geberelementes in der Schließstellung des Ventilkörpers
kann erfindungsgemäß ein Federelement vorgesehen werden, wobei die Steifigkeit des
Federelementes derart ausgelegt ist, daß ein sicherer Abstand des Geberelementes
bzw. des mit diesem verbundenen Ventilbetätigungselementes gewährleistet ist und
eine Beeinflussung des Ventilkörpers in der Schließstellung ausgeschlossen ist.
In analoger Weise kann ein Federelement vorgesehen werden, um das Geberelement während
der Schließ- und Öffnungsbewegung an einer Stirnseite des Ventilkörpers abstandslos
in Anlage zu halten. Dies ist insbesondere dann vorzusehen, wenn die elektromagnetische
Stellvorrichtung und die Feder zur Betätigung des Ventilkörpers an einer Stirnseite
des Ventilkörpers vorgesehen sind.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen: Fig. 1 und 2 den schematischen Aufbau von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
Steuerventils jeweils in einer Querschnittsdarstellung; Fig. 3 Diagramme der mit
den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 des erfindungsgemäßen Steuerventils
erzeugten Signale.
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Die in den Fig. 1 und 2, in denen grundsätzlich gleichwirkende Teile
mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, schematisch dargestellten Steuerventile
1 bestehen aus einem Gehäuse 2,-das mit einem Einlaß 3 und einem Auslaß 4 versehen
ist und einem innerhalb des Gehäuses 2 axial bewegbaren Ventilkörper 5, der in Schließrichtung
von einer Druckfeder 6 beaufschlagt ist und im Öffnungssinne über ein Ventilbetätigungselement
7 mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung 8 verbunden ist, die aus einem
Anker 9, einer Magnetspule 10 und einem Eisenkern 11 besteht. Im Gehäuse 2 ist ferner
ein Ventilsitz 12 ausgebildet, der mit dem entsprechend geformten Ventilkörper 5
die flüssigkeitsdichte Schließstellung des Steuerventils 1 bildet.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Druckfeder 6 und das
Ventilbetätigungselement 7 an der gleichen Stirnseite des Ventilkörpers 5 angeordnet.
Das Ventilbetätigungselement 7 ist mit dem Ventiflkörper 5 fest verbunden, ist innerhalb
des Ankers 9 bewegbar und über eine Schulter/Bundverbindung bewegungsfest mit -dem
Anker 9 verbunden. An der der Druckfeder 6 gegenüberliegenden Stirnse.ite des Ventilkörpers
5 ist ein Geberelement 13 vorgesehen, das relativ zu dem Ventilkörper 5 innerhalb
des Gehäuses 2 bewegbar ist und das während der Schließ- und Öffnungsbewegung des
Ventilkörpers 5 durch ein Federelement 14, das in einer Aussparung 15 eines Teils
des Gehäuses 2 befestigt ist, abstandslos in Anlage gebracht ist. Im stirnseiten
Bewegungsbereich des Ventilkörpers 5 und des Bewegungsbereichs des Geberelementes
13 ist innerhalb des Gehäuses 2 eine Sensorvorrichtung 16 vorgesehen, die scheibenförmig
ausgebildet ist, so daß der Ventilkörper 5 und das Geberelement 13 innerhalb der
Sensorvorrichtung 16 bewegbar sind. Die Sensorvorrichtung 16 besteht aus einem Permanentmagneten
17, Polschuhen 18a, 18b und einer Induktionsspule 19.
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In der Darstellung nach Fig. 1 ist die Spule 10 der elektromagnetischen
Stellvorrichtung 8 nicht erregt, so daß sich der Ventilkörper 5 unter der Kraft
der Druckfeder 6 in der Schließstellung befindet. Wird die Spule 9 der elektromagnetischen
Stellvorrichtung 8 erregt, bewegt sich der Anker 9 und somit der Ventilkörper 5
nach einer durch die elektromagnetische Stellvorrichtung hervorgerufenen Verzögerungszeit
in Richtung des Eisenkerns 11 und somit in die Öffnungsstellung des Ventilkörpers
5, so daß der Einlaß 3 und der Auslaß 4 miteinander verbunden sind, so daß beispielsweise
ein Abströmkanal der Kraftstoffeinspritzvorrichtung freigegeben ist und somit das
Einspritzende durch das Steuerventil beeinflußbar ist. Wird nun der Stromfluß durch
die Spule 10 der elektromagnetischen Stellvorrichtung 8 unterbrochen, so wird sich
nach einer ventilspezifischen Verzögerungszeit der Anker 9 und somit der Ventilkörper
5 durch die Kraft der Druckfeder 6 in die Schließstellung bewegen. Während der Schließbewegung
des Ventilkörpers 5 liegt das Geberelement 13 abstandslos an der Stirnfläche des
Ventilkörpers 5 an. Innerhalb der Sensorvorrichtung 16 wird durch den Permanentmagneten
17 über die Polschuhe 18a, 18b den Stirnflächbereich des Ventilkörpers 5 und das
Geberelement 13 ein magnetischer Fluß getrieben. Beim Auftreffen des Ventilkörpers
5 in dem Ventilsitz 12 wird durch diesen Schließimpuls das Geberelement 13 von der
Stirnfläche des Ventilkörpers 5 abgetrennt und kurzzeitig in eine relative Ortslage
zu diesem gebracht, so daß zwischen Ventilkörper 5 und.dem Geberelement 13 ein Luftspalt
entsteht. Durch diesen Luftspalt-ändert sich der magnetische Widerstand und damit
der magnetische Fluß der Sensorvorrichtung lG, so daß in der Induktionsspule 19
der Sensorvorrichtung eine impulsförmige
Spannung induziert wird,
die somit das Auftreffen des Ventilkörpers 5 im Ventilsitz 12 und somit den Schließzeitpunkt
des Steuerventils 1 kennzeichnet und in vorteilhafter Weise einer nicht näher dargestellten
Meßwertverarbeitungseinrichtung zuführbar und von dieser auswertbar ist, so daß
beispielsweise die von der Meßwertverarbeitungseinrichtung erzeugten Ventilbetätigungsimpulse
und der tatsächliche Schließzeitpunkt miteinander vergleichbar sind, so daß auf
einfache Weise die Steuerventilverzögerungszeit von der Meßwertverarbeitungseinrichtung
ausgleichbar ist, so daß der Spritzbeginn der Kraftstoffeinspritzvorrichtung exakt
einstellbar ist.
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In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Steuerventil 1 dargestellt, das
mit einer Geberelement 13/Sensorvorrichtung 16 zur Erzeugung eines Schließzeitpunkt-
und Offnungszeitpunktsignals ausgerüstet ist. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 sind die Druckfeder 6 und die -elektromagnetische Stellvorrichtung 8
an entgegengesetzten Stirnflächen des Ventilkörpers 5 vorgesehen, und das Ventilbetätigungselement
7 und der Anker 9 sind fest miteinander verbunden. Zwischen einer Stirnseite des
Ventilkörper-s 5 und dem Ventilbetätigungselement 7 ist das Geberelement 13 angeordnet,
wobei das Geberelement 13 und das Ventilbetätigungselement 7 ebenfalls fest miteinander
verbunden sind. Im Bereich des stirnseitigen Bewegungsbereichs des Ventilkörpers
5 und des Geberelementes 13 ist die Sensorvo.rrichtung 16 vorgesehen, die wiederum
aus einem Permanentmagneten 17, Polschuhen 18a, 18b und einer Induktionsspule 19
besteht. Durch den Schließimpuls des Ventilkörpers 5 im Ventilsitz 12 wird das Geberelement
13 von der Stirnfläche des Ventilkörpers 5 abgetrennt und mit dem Ventilbetätigungselement
7 in eine relative Ortslage
zu dem Ventilkörper 5 versetzt. Der
hierbei wiederum entstehende Luftspalt zwischen Geberelement 13 und Ventilkörper
5 erzeugt aufgrund der Änderung des magnetischen Widerstandes in der Induktionsspule
19 der Sensorvorrichtung 16 eine impulsförmige Spannung, die in einer nicht näher
dargestellten Meßwertverarbeitungseinrichtung als Schließzeitpunktsignal des Steuerventils
entsprechend ausgewertet und aufbereitet werden kann. Während der Schließstellung
des Ventilkörpers 5 wird das Geberelement - wie in Fig. 2 angedeutet - in diesem
axialen Abstand zu der Stirnfläche des Ventilkörpers 5 gehalten. Hierzu ist im Gehäuse
2 ein weiteres Federelement 20 vorgesehen, das an einem Absatz des Ankers 9 angreift.
Wird die elektromagnetische Stellvorrichtung 8 erregt, so bewegt sich nach einer
Verzögerungszeit der Anker 9 in Richtung des Eisenkerns 11 und bringt somit das
Geberelement 13 zur Anlage an der Stirnfläche des Ventilkörpers 5 und übermittelt
über das Geberelement 13 den Uffnungsimpuls auf den Ventilkörper 5. Durch den Aplagevorgang
wird wiederum der magnetische Widerstand der Sensorvorrichtung 16 verändert, wodurch
ein impulsfömiges Signal erzeugt wird, das in der Meßwertverarbeitungseinrichtung
in vorteilhafter Weise einfach ermittelt und aufbereitet werden kann.
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In Fig. 3 sind die mit den Steuerventilen nach den Fig. 1 und 2 erzeugten
Steuersignale zum Schließzeitpunkt und zum Öffnungszeitpunkt der Ventilkörper 5
dargestellt. Das Diagramm I verdeutlicht, daß mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil
nach Fig. 1 zum Schließzeitpunkt des Ventilkörpers mit dem Geberelement 13 in der
Sensorvorrichtung 16 eine impulsförmige Spannung induziert wird, und die Darstellung
nach Diagramm II, daß mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil nach Fig. 2 zum Schließzeitpunkt
und zum Öffnungszeitpunkt des Ventilkörpers 5 jeweils eine impulsförmige Spannung
durch das Geberelement 13 in der Sensorvorrichtung 16 hervorgerufen wird.