DE29702565U1

DE29702565U1 - Schnellschaltventil für zwei Betriebsstellungen

Info

Publication number: DE29702565U1
Application number: DE29702565U
Authority: DE
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2007-02-15

Description

Bezeichnung Schnellschaltventil für zwei Betriebsstellungen

Beschreibung

Für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle und für die unterschiedlichsten Medien, insbesondere aber gasförmige Medien ergibt sich häufig die Notwendigkeit intermittierend

-JQ vorgebbare Mengen des zuzuführenden Mediums in das andere strömende Medium einzuführen. Bei vorgegebenem Vordrücken des zuzuführenden Mediums einerseits und in dem aufnehmenden strömenden Medium andererseits läßt sich die einzuführende Menge über die Öffnungszeit des Ventils beeinflussen und

•^5 dementsprechend steuern. Diese Betriebsweise ist jedoch bei Systemen mit kurzen Taktfolgen im Bereich von Sekundenbruchteilen und verhältnismäßig geringen Druckdifferenzen nicht mehr durchführbar.

2Q Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein schnellschaltbares Ventil zu schaffen, das es erlaubt, auch bei einer hochfrequenten Taktfolge unterschiedliche Mengen eines strömungsfähigen Mediums durchzulassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein schaltbares Ventil für strömungsfähige Medien, mit einem Eintritt und einem Austritt sowie mit einem Ventilkörper, der einen Durchlaß mit großem Strömungsquerschnitt für eine erste Betriebsstellung und einen Durchlaß mit kleinem Durchtritts-

O₀ querschnitt für eine zweite Betriebsstellung aufweist, wobei der Ventilkörper über einen ansteuerbaren Aktuator wahlweise zwischen einer Schließstellung und einer der beiden Betriebsstellungen intermittierend betätigbar ist. Damit ist es möglich, je nach der gewählten Ansteuerung des Aktuators

&ogr;,- auch bei hohen Schaltfrequenzen, den Ventilkörper entweder in der einen Betriebsstellung mit entsprechend großer Durchlaßmenge oder in der anderen Schaltstellung mit entsprechend kleinerer Durchlaß zu öffnen und zu schließen. Besonders

zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Ventilkörper zwischen den beiden Durchlässen einen Schließbereich aufweist, der einen Durchfluß des Mediums sperrt.

Der Ventilkörper kann in einer Ausgestaltungsform der Erfindung als Drehkörper oder in einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung als Schieber ausgebildet sein.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ventilkörper über ein Übertragungsglied mit einem Anker verbunden ist, der gegen die Kraft von Rückstellfedern hin- und herbewegbar zwischen zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten geführt ist, die in ihrer Bestromung steuerbar sind und deren PoI-flächen einander zugekehrt sind. Diese Anordnung hat zum einen den Vorteil, daß bei entsprechender Auslegung des aus Anker und Ventilkörper einerseits und den Rückstellfedern andererseits gebildeten Feder-Masse-Systems eine sehr hohe Hubfrequenz für ein derartiges Ventil möglich ist. Die Umschaltung erfolgt hierbei in der Weise, daß für jeweils eine Betriebsstellung entsprechend auch nur ein Elektromagnet in der Weise bestromt wird, daß jeweils bei der Anlage des Ankers an der zugehörigen Polfläche das Ventil geöffnet ist und bei Erreichen der Mittellage zwischen den beiden Polflächen die Schließstellung vorgegeben ist.

Sollte das System von der einen Betriebsstellung, beispielsweise mit großer Durchflußmenge umgeschaltet werden auf die andere Betriebsstellung mit entsprechend kleiner Durchflußmenge, dann wird entsprechend der andere Elektromagnet in seiner Bestromung angesteuert. Der besondere Vorteil dieses Systems besteht darin, daß das Ventil dann in Schließstellung gehalten ist, wenn beide Elektromagneten nicht bestromt sind, so daß ein derartiges Ventil insbesondere dann eingesetzt werden kann, wenn bei dem Betrieb einer Einrichtung nur für einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum die Zufuhr des zuzuführenden Mediums erforderlich ist, in der übrigen, längeren Betriebszeit der Einrichtung das Ventil aber in Schließstellung gehalten werden muß. Bei der er-

findungsgemäßen Ausgestaltung ist die Schließstellung bei stromlos gesetzten Elektromagneten gegeben, so daß in der Schließstellung kein Energieverbrauch stattfindet.

Aus DE-A-3 024 109, Fig. 5, ist ein elektromagnetisch betätigbares Ventil bekannt, bei dem über einen Anker ein Ventilkörper zwischen zwei in ihrer Bestromung ansteuerbaren, mit den Polflächen gegeneinander gerichteten Elektromagneten vorgesehen ist. Dieses vorbekannte Ventil ist jedoch nur für einen Auf-Zu-Betrieb ausgebildet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß für die Offenstellung der eine Magnet bestromt sein muß und für die Schließstellung der andere Magnet bestromt sein muß. In der Mittellage des Ankers bei stromlos gesetzten Elektromagneten nimmt der Ventilkörper mit seinen Durchlässen eine Zwischenstellung ein, in der diese sich teilweise in Offenstellung befinden. Eine Wahlmöglichkeit zwischen zwei unterschiedlichen Durchsatzmengen ist hierbei nicht möglich.

¹^ besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind ferner schaltbare Mittel zur Begrenzung des Betätigungsweges in der Schließstellung vorgesehen. Mit diesen Mitteln wird bei Feder-Masse-Systemen, die so ausgelegt sind, daß die normale Betriebsfrequenz im Bereich der Eigenfrequenz liegt durch derartige Mittel zur Begrenzung des Betätigungsweges sichergestellt, daß der Ventilkörper jeweils nur zwischen der öffnungs- und Schließstellung bei Vorgabe der ersten Betriebsstellung oder bei Vorgabe der zweiten Betriebsstellung bewegt. Die Mittel zur Begrenzung des Betätigungsweges können durch mechanische Mittel bewirkt werden, die in Form eines Anschlages jeweils beim Erreichen der Schließstellung ein Überschwingen in die andere, nicht gewünschte Betriebsstellung verhindern. Ein derartiger Anschlag kann entweder im Ventil selbst vorgegeben werden oder aber auch im elektromagnetischen Aktuator angeordnet sein. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn jeweils der für den vorgesehenen Betrieb nicht benötigte Elektromagnet gegen den Anker vorgeschoben wird, so daß der Anker beim Erreichen der Schließstellung

auf der Polfläche des inaktiven Elektromagneten zur Anlage kommt. Es ist aber auch möglich, bei starr angeordneten Elektromagneten den an sich inaktiven Elektromagneten so zu bestromen, daß bei einer Bewegung des Ankers in Richtung auf die Schließstellung ein Magnetfeld aufgebaut wird, das mit seiner Kraftwirkung den sich in Richung auf die Schließstellung bewegenden Anker abbremst, und daß somit ein Uberschwingen in die andere, nicht gewünschte Betriebsstellung vermieden wird.

Zweckmäßig ist es ferner, wenn der Ventilkörper im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Mediums bewegbar ausgebildet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei höheren Druckdifferenzen der Ventilkörper über den Aktuator nicht gegen den anstehenden Druck des zuströmenden Mediums bewegt werden muß.

In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Eintritt mit einer Sekundärluftzuführung und der Austritt mit einem Abgasauslaß wenigstens eines Zylinders an einem Hubkolbenmotor verbunden ist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, sogenannte Sekundärluftsysterne zur Reduzierung der Emissionen beim Kaltstart von Ottomotoren einzusetzen, wobei der Vorteil gegeben ist, daß die Sekundärluftmenge gestuft gesteuert werden kann. Wurde bisher die Sekundärluft mittels einer Pumpe gefördert und über kanalförmiges Zuführen in die Auslaßkanäle des Hubkolbenmotors kontinuierlich zugeführt, in denen der Abgasmassenstrom entsprechend den Arbeitstakten der einzelnen 0 Zylinder diskontinuierlich abfließt, bietet die Anordnung eines derartigen Ventils den Vorteil, einen Sekundärluftstrom jeweils beim Auslaßhub des Kolbens in den zugehörigen Auslaßkanal einzuführen. Durch die Anordnung eines derartigen zweistufigen Ventils läßt sich hier eine Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand und damit eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Reduzierung der Emissionen erzielen. Da in der Regel die Sekundärlufteinblasung nur während einer verhältnismäßig kurzen Betriebs-

phase unmittelbar nach dem Kaltstart des Motors vorzunehmen ist, ergibt sich als weiterer Vorteil, daß für den anschließenden Dauerbetrieb durch Stromlossetzen des Aktuators das Ventil ohne jeden Energiebedarf in Schließstellung gehalten wird. Dies ist insbesondere für den Einsatz an Kraftfahrzeugen wünschenswert, da hier jeder unnötige Bedarf an Hilfsenergie zu vermeiden ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Schnellschaltventil mit einem als Schieber ausgebildeten Ventilkörper

Fig. 2 eine Aufsicht auf den, Ventilkörper gemäß

Fig. 1 in unterschiedlichen Betriebsstellungen

0 Fig. 3 ein Ventil der Bauart gemäß Fig. 1 mit einem

elektromagnetischen Aktuator

Fig. 4 schematisch die Anwendung einer Ventilbauform gemäß Fig. 1 für die Sekundärlufteinführung an einem Verbrennungsmotor

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Ventil 1 besteht im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 2, das mit einem Eintritt 3 und einem Austritt 4 für ein strömungsfähiges 0 Medium versehen ist. Im Ventilgehäuse 2 ist ein Ventilkörper 5 angeordnet, der bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Schieber ausgebildet ist. Der Ventilkörper 5 ist mit einem Aktuator 6 über ein Übertragungsglied 6.1 verbunden. Fig. 1 zeigt den Ventilkörper 5 in Schließstellung. Der Ventilkörper 5 kann hierbei als Flachschieber oder auch als zylindrischer Schiebekörper ausgebildet sein und ist mit einem Durchlaß 7 mit großem Strömungsquerschnitt und einem Durchlaß 8 mit kleinem Strö-

mungsquerschnitt versehen, so daß je nach Stellung des Schieberkörpers 5 eine entsprechend große Menge an strömungsfähigem Medium durchgelassen wird oder entsprechend dem kleineren Querschnitt des Durchlasses 7 eine kleinere Menge durchgelassen wird. Zwischen den beiden Durchlässen 7 und 8 bildet der Ventilkörper 5 einen Schließbereich 9. Der Ventilkörper 5 kann als Flachschieber ausgebildet sein oder aber durch einen zylindrischen Schieberkörper gebildet werden, der eine einfachere Abdichtung des Schieberkörpers im Ventilgehäuse ermöglicht.

Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Schieberventils, bei dem der Ventilkörper translatorisch bewegt wird, ist es auch möglich, einen Ventilkörper vorzusehen, der einen Kreisquerschnitt aufweist und über eine Drehbewegung aus der Schließstellung heraus in die eine oder andere Öffnungsstellung bewegt werden kann. Der Aktuator muß dann über ein als Schwenkantrieb ausgebildetes übertragungsglied auf den

Ventilkörper einwirken.
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Fig. 2.1 zeigt eine Aufsicht auf den Ventilkörper 5 in Strömungsrichtung gesehen (Pfeil 10 in Fig. 1). In der dargestellten Schließstellung wird durch den Schließbereich der freie Querschnitt des Austritts 4 abgedeckt, so daß hier der Durchfluß gesperrt ist. Soll nun für einen bestimmten Betriebsfall eine große Durchflußmenge des einzuführenden strömungsfähigen Mediums intermittierend über den Austritt 4 abgegeben werden, dann wird, wie in Fig. 2.2 dargestellt, über den Aktuator 6 der Ventilkörper 5 so hin- und herbewegt, daß dieser sich jeweils zwischen einer durch den Durchlaß 7 definierten Öffnungsstellung und eine durch den Schließbereich 9 definierten Schließstellung hin- und herbewegt.

5 Soll nun aufgrund geänderter Betriebsbedingungen eine geringere Durchtrittsmenge am strömungsfähigen Medium intermittierend über über den Austritt 4 abgegeben werden, dann wird der Aktuator 6, wie Fig. 2.3 zeigt, so angesteuert,

daß sich der Ventilkörper 5 zwischen der durch den Durchlaß 8 definierten Öffnungsstellung und der durch den Schließbereich 9 definierten Schließstellung hin- und herbewegt wird. Aufgrund des kleineren Strömungsquerschnittes des

-* Durchlasses 8 wird auch eine entsprechend geringere Medienmenge abgegeben.

Der Aktuator 6 kann hydraulisch oder pneumatisch betätigbar sein. Insbesondere bei hochfrequenter Betriebsweise ist es jedoch zweckmäßig, wenn der Aktuator 6, wie in Fig. 3 dargestellt, als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet ist. Hierbei sind in einem Gehäuse 11 zwei Elektromagneten 12 und 13 mit Abstand zueinander und miteinander entgegengerichteten Polflächen 14 angeordnet. Das Ubertragungsglied 6.1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem zwischen den beiden Elektromagneten 12 und 13 angeordneten Anker 15 verbunden, der durch Rückstellfedern 16 und 17 in seiner Mittellage gehalten wird. Durch diese Mittellage wird die in Fig. 2.1 dargestellte Schließposition definiert.

Soll nun der elektromagnetische Aktuator für eine große Medienmenge betrieben werden, wie dies in Fig. 2.2 dargestellt ist, dann wird der Elektromagnet 13 entsprechend dem gewünschten Takt intermittierend geströmt, so daß der Anker 15 abwechselnd vom Magneten 13 angezogen und an seiner Polfläche zur Anlage kommt (Öffnungsstellung für den Durchlaß 7) und nach dem Abschalten des Stromes unter der Kraftwirkung der Rückstellfeder 16 wieder in die Schließstellung zurückgezogen wird. Ist aufgrund der betrieblichen Anforderungen eine geringere Zufuhrmenge gewünscht, dann wird entsprechend der in Fig. 2.3 dargestellten Betriebsweise in der gewünschten Arbeitsfrequenz der Elektromagnet 12 bestromt, so daß der Anker 15 an der Polfläche 14 des Elektromagnetens12 zur Anlage kommt (Öffnungsstellung für den Durchlaß 8) und nach dem Abschalten des Stromes unter der Kraftwirkung der Rückstellfeder 17 wieder in die Schließstellung zurückbewegt wird.

Um nun bei einer Betriebsweise gemäß Fig. 2.2 oder bei der Betriebsweise gemäß 2.3 jeweils ein überschwingen des Ventilkörpers 5 über die Mittellage hinaus und damit eine erneute, unerwünschte öffnung des Ventils zu verhindern, ist es zweckmäßig_/Mittel vorzusehen, durch die dieses Uberschwingen verhindert wird. Dies kann beispielsweise durch Schaltanschläge 18 und 19 bewerkstelligt werden, die jeweils bei der entsprechenden Betriebsweise die Bewegungsfreiheit des Ubertragungsweges 6.1 einseitig begrenzen. Die Anschläge 18 und 19 können hier bei entsprechenden Halteplatten 20 und 21 für die Rückstellfedern 16 und 17 zugeordnet sein.

Es ist aber auch möglich, jeweils die Elektromagneten 12 oder 13 im Gehäuse 11 entsprechend zu verschieben, so daß auch in der Schließstellung der Anker 15 an einer Polfläche 14 des jeweils inaktiven Elektromagnetens zur Anlage kommt.

Da das Auftreffen des Ankers 15 auf einer Polfläche 14 immer mit einer gewissen Geräuschentwicklung verbunden ist, bietet sich als vorteilhafte Lösung eine starre Anordnung der Elektromagneten 12 und 13 an, die jedoch dann über die zugehörige Steuereinrichtung zur Bestromung so angesteuert werden, daß der jeweils inaktive Elektromagnet (Elektromagnet 12 für die Betriebsweise gemäß Fig. 2.2 oder der Elektromagnet 13 bei der Betriebsweise gemäß Fig. 2.3) in der Weise mit Strom beaufschlagt wird, daß jeweils bei einer Bewegung des Ankers 15 in Richtung auf die Schließstellung hier ein entgegenwirkendes Magnetfeld aufgebaut wird, das ein Uberschwingen des Ventilkörpers über die Schließstellung hinaus 0 verhindert. Dieses bremsende Magnetfeld kann zugleich zur Beschleunigung des Ankers 15 verwendet werden, wenn über den jeweils aktiven Elektromagneten der Anker 15 gegen die Kraft der zugehörigen Rückstellfeder in die Öffnungsstellung bewegt werden soll.

..

In Fig. 4 ist ein spezieller Anwendungsfall für derartige schnellschaltbare Ventile dargestellt. Bei einem Vier-Zylinder-Ottomotor 22, sind die Auslaßkanäle 23 der einzelnen

Zylinder in einen gemeinsamen Gasauslaß 24 zusammengeführt, in dem ein Abgaskatalysator 2 5 angeordnet ist. In die einzelnen Gasauslaßkanäle mündet jeweils eine Zufuhrleitung 2 6 einer Sekundärluftzuführung 2 7 durch die in der KaItstartphase zur Verringerung der Schadstoffemissionen in die einzelnen Gasauslaßkanäle 23 Luft eingeblasen werden soll. Die Zuführleitungen 26 sind jeweils mit einem Ventil 1 der vorstehend beschriebenen Art bestückt, so daß über eine entsprechende Steuerung, beispielsweise eine elektronische Motorsteuerung, die Ventile 1 jeweils bei Öffnung der Gasauslaßventile der einzelnen Zylinder eine entsprechend vorgebbare Menge an Sekundärluft in den zugehörigen Gasauslaßkanal eingeblasen wird.

Claims

Ansprüche

1. Schnellschaltbares Ventil für strömungsfähige Medien mit einem Eintritt (3) und einem Austritt (4) sowie mit einem Ventilkörper (5), der einen Durchlaß (7) mit großem Strömungsquerschnitt für eine erste Betriebsstellung und einen Durchlaß (8) mit kleinem Durchtrittsquerschnitt für eine zweite Betriebsstellung aufweist, wobei der Ventilkörper (5) über einen ansteuerbaren Aktuator (6) wahlweise zwischen einer Schließstellung und einer der beiden Betriebsstellungen intermittierend betätigbar ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (5) zwischen den beiden Durchlässen (7, 8) einen Schließbereich (9) aufweist, der einen Durchfluß des Mediums sperrt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) als Drehkörper ausgebildet ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) als Schieber ausgebildet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (6) über ein Übertragungsglied 6.1 mit einem Anker (15) verbunden ist, der gegen die Kraft von Rückstellfedern (16, 17) hin- und herbewegbar zwischen zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten (12, 13) geführt ist, die in ihrer Bestro-0 mung steuerbar sind und deren Polflächen (14) einander zugekehrt sind.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß schaltbare Mittel (18, 19) zur Begrenzung des Betätigungsweges in der Schließstellung vorgesehen sind.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (5) im wesentlichen quer

zur Strömungsrichtung des Mediums bewegbar ausgebildet ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (3) mit einer Sekundärluftzufuhr (27) und der Austritt (4) mit einem Abgasauslaß wenigstens eines Zylinders an einem Hubkolbenmotor (22) verbunden ist.