Elektromagnetisch betätigbares Ventil

Abstract

 Elektromagnetisch betätigbares Ventil (1) für die getaktete Einspeisung flüchtiger Kraftstoffbestandteile (2) aus dem Freiraum (3) eines Kraftstoffbehälters (4) in das Ansaugrohr (5) einer Verbrennungskraftmaschine (6) wobei das Ventil (1) mit zumindest einer Einlaßöffnung (7) und zumindest einer Auslaßöffnung (8) versehen ist, wobei zwischen der Einlaß- (7) und der Auslaßöffnung (8) ein Hauptventilsitz (9) und ein dazu parallel geschalteter Hilfsventilsitz (10) mit einem entsprechenden Hauptschließglied (11) und einem Hilfsschließglied (12) vorgesehen sind, wobei das Hauptschließglied (11) eine bewegbare Masse m_I und das Hilfsschließglied (12) eine bewegbare Masse m_II aufweist und wobei die Schließglieder (11, 12) die entsprechenden Ventilsitze (9, 10) im spannungsfreien Zustand durch die Kraft von zumindest jeweils einer Ventilfeder (13, 14) dichtend berühren und wobei das Hauptschließglied (11) bei Betätigung von einer resultierenden Kraft F_resI und das Hilfsschließglied (12) von einer resultierenden Kraft F res _II jeweils in Offenstellung überführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus


kleiner ist als das Verhältnis aus

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil für die getaktete Einspeisung flüchtiger Kraftstoffbestandteile aus dem Freiraum eines Kraftstoffbehälters in das Ansaugrohr einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Ventil mit zumindest einer Einlaßöffnung und zumindest einer Auslaßöffnung versehen ist, wobei zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung ein Hauptventilsitz und ein dazu parallel geschalteter Hilfsventilsitz mit einem entsprechenden Hauptschließglied und einem Hilfsschließglied vorgesehen sind, wobei das Hauptschließglied eine bewegbare Masse m_I und das Hilfsschließglied eine bewegbare Masse m_II aufweist und wobei die Schließglieder die entsprechenden Ventilsitze im spannungsfreien Zustand durch die Kraft von zumindest jeweils einer Ventilfeder dichtend berühren und wobei das Hauptschließglied bei Betätigung von einer resultierenden Kraft F_resI und das Hilfsschließglied von einer resultierenden Kraft F_resII jeweils in Offenstellung überführbar sind.

[0002] Ein derartiges Ventil ist aus der DE-PS 40 03 036 bekannt. Das Hilfsschließglied ist, bezogen auf das Hauptschließglied von geringerer Größe und Masse, so daß es schneller in Offenstellung überführbar ist und das Hauptschließglied daher hydraulisch entlastet werden kann, so daß auch das Hauptschließglied eine größere Öffnungsgeschwindigkeit aufweist. Dabei ist allerdings zu beachten, daß alleine durch eine geringere Masse des Hilfsschließgliedes eine kostengünstige Herstellung nicht erzielt werden kann. Für eine Optimierung des Ventils bezüglich seiner Gebrauchseigenschaften, des Herstellungsaufwandes und der Montage müssen eine Vielzahl von Parametern berücksichtigt werden, die als Gesamteinheit zu einer günstigen Lösung führen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Ventil der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sich bei guten Gebrauchseigenschaften eine vereinfachte und wirtschaftlichere Herstellbarkeit ergibt und die zur Anwendung gelangenden Bauteile einander günstig beeinflussen und in optimaler Weise aufeinander abgestimmt sind.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

[0005] Eine Optimierung des Ventils erfolgt dadurch, daß das Verhältnis aus F_resI/m_I kleiner ist als das Verhältnis aus F_resII/m_II. Um diese Vorgaben zu erzielen hat der Magnetkreis des Hilfsventils eine schnellere oder vergleichbare Kraftaufbaugeschwindigkeit als das Hauptventil und/oder die Federvorspannung der Ventilfeder des Hilfsventils ist bezogen auf die Kraftaufbaugeschwindigkeit geringer als die des Hauptventils. Ferner kann der Ventilquerschnitt und damit der Durchsatz bei gleichem Druckverhältnis des Hauptventils größer sein als der Ventilquerschnitt und damit der Durchsatz des Hilfsventils. Das Hilfsventil weist einen geringeren oder im Grenzfall gleichen Öffnungsquerschnitt auf, wie das Hauptventil, öffnet aber früher. Unterstützend kann eine geringere Ankermasse, ein geringerer Ankerhub und eine dynamische Auslegung des Magnetkreises durch geringe Induktivität und geringerer magnetische Widerstände gewählt werden. Das Hauptventil weist einen gleichen oder größeren Öffnungsquerschnitt gegenüber dem Hilfsventil auf. Durch eine geringere Kraftaufbaugeschwindigkeit und/oder eine betragsmäßig höhere Federvorspannung öffnet es später als das Hilfsventil. Dies kann unterstützt werden durch eine dynamische Auslegung des Magnetkreises, einen größeren Öffnungsquerschnitt, eine größere Ankermasse und einen großeren Ankerhub.

[0006] Mit einer Erhöhung der Ankermasse alleine ist eine kostengünstige Herstellung im Vergleich zu den oben angegebenen Maßnahmen nicht zu erzielen. Die oben genannten Maßnahmen bezüglich der Auslegung von Federvorspannung, Magnetkreisauslegung und Öffnungsquerschnitt führen insgesamt zu einer kostengünstigen Lösung.

[0007] Die resultierenden Kräfte F_resI, F_resII, die auf die Schließglieder wirken, sind aus der Magnetkraft F_MI, _II, der Federkraft F_FI, _II und der Gewichtskraft F_GI,_II des entsprechenden Schließgliedes zusammengesetzt, die nach Betrag und Richtung addiert sind. Ein einfaches und wirtschaftlich günstiges Ventil kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Hilfsschließglied aufweisen, das eine geringere Trägheitsmasse hat als das Hauptschließglied und/oder der Hilfsventilsitz kann einen geringeren Öffnungsquerschnitt aufweisen als der Hauptventilsitz. Eingriffe in den Betätigungsmechanismus des Ventils sind dadurch entbehrlich.

[0008] Das Hauptschließglied und das Hilfsschließglied können dann durch parallel geschaltete Magnetspulen betätigbar sein. Durch die Verwendung von ähnlichen oder gleichen Bauteilen kann durch einen modularen Aufbau eine erhebliche Kostenreduzierung erzielt werden.

[0009] Davon abweichend ist eine elektrisch getrennte Ansteuerung von Hauptschließglied und Hilfsschließglied ebenfalls möglich.

[0010] Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht. Diese zeigt die zur Anwendung gelangenden Komponenten teilweise in schematischer Darstellung.

[0011] Die Verbrennungskraftmaschine 6 ist durch ein Ansaugrohr 5, das eine Drosselklappe 17 enthält mit dem Luftfilter 18 verbunden. Der Auspuffkrümmer 19 ist ebenfalls an der Verbrennungskraftmaschine 6 angeflanscht.

[0012] Im Ansaugrohr 5 ist oberhalb der Drosselklappe 17 eine Kraftstoffversorgungseinrichtung 20 vorgesehen, in der das durch den Luftfilter 18 zugeführte Frischluftvolumen im erforderlichen Maße mit Kraftstoff versetzt wird. Die dazu erforderlichen Signale werden durch das Steuergerät 21 bereitgestellt, beispielsweise auf der Grundlage der Abgastemperatur und Zusammensetzung, der Betriebsdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 6 und der Umgebungstemperatur. Die entsprechenden Eingangssignale werden unter Verwendung entsprechender Sensoren erfaßt und sind durch die Pfeile 22, 23, 24, 25 angedeutet. Sie können bei Bedarf in erwünschtem Maße ergänzt werden.

[0013] Der Kraftstoffbehälter 4 ist nur teilweise mit flüssigem Kraftstoff gefüllt und weist oberhalb des Kraftstoffspiegels einen Freiraum 3 auf, der mit flüchtigen Kraftstoffbestandteilen 2 gefüllt ist. Der Verschluß 26 des Kraftstoffbehälters 4 schließt denselben gegenüber der Umgebung hermetisch ab. Der Freiraum 3 des Kraftstoffbehälters 4 ist durch die Entlüftungsleitung 27 mit der Atmosphäre 28 verbunden. Die Entlüftungsleitung 27 enthält die Speicherkammer 29, die mit einem Granulat aus Aktivkohle gefüllt ist. Die Dimensionierung der Speicherkammer 29 ist dabei so vorgenommen, daß unter normalen Betriebsbedingungen flüchtige Kraftstoffbestandteile die Mündung der Entlüftungsleitung 27 nicht passieren können.

[0014] Auf der der Mündung der Entlüftungsleitung 27 gegenüberliegenden Seite der Speicherkammer 29 ist die Leitung 30 angeschlossen, die die Speicherkammer 29 mit dem Ansaugrohr 5 der Verbrennungskraftmaschine 6 verbindet. In der Leitung 30 ist das elektromagnetisch betätigbare Ventil 1 angeordnet, das bei Außerbetriebsetzung der Verbrennungskraftmaschine 6 geschlossen und durch das Steuergerät 21 betätigbar ist, welches durch eine elektrische Verbindungsleitung 31 an die Magnetspulen 15, 16 des Hauptschließglieds 11 und HilfsschließgliedS 12 angeschlossen ist. Das Hauptschließglied 11 ist mit dem Hauptventilsitz 9 in Eingriff bringbar und wird im spannungsfreien Zustand, bei nichtbetätigtem Ventil 1 durch die Ventilfeder 13 federkraftbeaufschlagt auf dem Ventilsitz aufgelegt. Entsprechendes gilt für das Hilfsschließglied 12 mit dem Hilfsventilsitz 10 und der entsprechenden Ventilfeder 14. Die Ventilfedern 13, 14 sind jeweils derart ausgelegt, daß eine dichtende Anpressung der Ventilschließglieder 11, 12 an die entsprechenden Ventilsitze 9, 10 gerade noch gewährleistet ist. Unter Zugrundelegung der Bedingung, daß die auf das jeweilige Schließglied wirkende resultierende Kraft bezogen auf die Masse des jeweiligen Schließgliedes bei dem Hilfsschließglied 12 größer ist als bei dem Hauptschließglied 11 ergibt sich bei einer gemeinsamen Ansteuerung beider Magnetspulen 15, 16 eine frühere Öffnung des Hilfsschließglieds 12.

[0015] Die Masse des je Zeiteinheit durchgesetzten Volumenstroms läßt sich bei einer getakteten Ansteuerung durch eine Modifizierung der Zeitdauer, in der das Haupt- bzw. das Hilfsschließglied 11, 12 pro Ansteuerung geöffnet sind, bedarfsweise verändern. Die Zeitdauer der Ansteuerung nimmt ebenfalls Einfluß auf das Betriebsverhalten des Ventils 1. Sie schließt bei sehr hohen Frequenzen den Fall mit ein, daß das die elektrische Ansteuerung bewirkende Signal in der Verbindungsleitung bereits vor dem Ansprechen des Hauptschließglieds 12 abgeklungen ist, so daß nur das Hilfsschließglied 12 während einer besonders kurzen Zeitspanne in Offenstellung gelangt. Das Volumen der durchgesetzten Kraftstoffdämpfe ist dementsprechend ganz besonders gering, so daß eine Entsorgung der flüchtigen Kraftstoffbestandteile 2 aus der Speicherkammer 29 in die Verbrennungskraftmaschine 6 auch bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise im Leerlauf erfolgen kann, ohne daß eine Überfettung des Kraftstoff-Luftgemischs und damit Betriebsstörungen der Verbrennungskraftmaschine 6 zu befürchten sind.

[0016] Einer solchen Betriebssituation steht gegenüber, daß das Hauptschließglied 11 und das Hilfsschließglied 12 während einer besonders langen Zeitspanne überwiegend parallel zueinander in Offenstellung befindlich sind. In diesem Falle ist das Volumen der je Zeiteinheit durchgesetzten, flüchtigen Kraftstoffbestandteile 2 ganz besonders groß. Dies ist dann der Fall, wenn die Verbrennungskraftmaschine 6 im Teillastbetrieb oder im Vollastbetrieb gefahren wird.

[0017] Die Durchlässigkeit des erfindungsgemäßen Ventils 1 läßt sich stufenlos verändern, ohne daß es hierzu eines besonderen, elektrischen Steueraufwandes bedarf. Neben einem besonders guten Betriebsverhalten lassen sich dadurch in den unterschiedlichen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine 6 ausgezeichnete Abgaswerte gewährleisten. Das erfindungsgemäße Ventil 1 weist gute Gebrauchseigenschaften auf und ist in wirtschaftlicher und fertigungstechnischer Hinsicht besonders günstig.

Ansprüche

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil für die getaktete Einspeisung flüchtiger Kraftstoffbestandteile aus dem Freiraum eines Kraftstoffbehälters in das Ansaugrohr einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Ventil mit zumindest einer Einlaßöffnung und zumindest einer Auslaßöffnung versehen ist, wobei zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung ein Hauptventilsitz und ein dazu parallel geschalteter Hilfsventilsitz mit einem entsprechenden Hauptschließglied und einem Hilfsschließglied vorgesehen sind, wobei das Hauptschließglied eine bewegbare Masse m_I und das Hilfsschließglied eine bewegbare Masse m_II aufweist und wobei die Schließglieder die entsprechenden Ventilsitze im spannungsfreien Zustand durch die Kraft von zumindest jeweils einer Ventilfeder dichtend berühren und wobei das Hauptschließglied bei Betätigung von einer resultierenden Kraft F_resI und das Hilfsschließglied von einer resultierenden Kraft F_resII jeweils in Offenstellung überführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus

kleiner ist als das Verhältnis aus

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierenden Kräfte F_resI, F_resII die auf die Schließglieder (11, 12) wirken, aus der Magnetkraft F_MI, F_MII, der Federkraft F_FI, F_FII und der Gewichtskraft F_GI, F_GII des entsprechenden Schließgliedes (11, 12) zusammengesetzt sind, die nach Betrag und Richtung addiert sind.

3. Ventil nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsglied (12) eine geringere Trägheitsmasse aufweist als das Hauptschließglied (11) und/oder daß der Hilfsventilsitz (10) einen geringeren Öffnungsquerschnitt aufweist als der Hauptventilsitz (9).

4. Ventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptschließglied (11) und das Hilfsschließglied (12) durch parallel geschaltete Magnetspulen (15, 16) betätigbar sind.

5. Ventil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (16) des Hilfsschließgliedes (12) eine größere Kraftaufbaugeschwindigkeit dF_MII/dt aufweist, als die Magnetspule (15) des Hauptschließgliedes (11) dF_MI/dt.

6. Ventil nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus Federkraft und Kraftaufbaugeschwindigkeit des Hilfsschließgliedes (12) kleiner ist, als das gleiche Verhältnis bezogen auf das Hauptschließglied (11).

Zeichnung