DE10251981A1

DE10251981A1 - Schubumluftventilvorrichtung

Info

Publication number: DE10251981A1
Application number: DE10251981A
Authority: DE
Inventors: Michael Thiery
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2005-03-03

Abstract

Es wird eine Schubumluftventilvorrichtung beschrieben, die elektrisch gesteuert und pneumatisch aktuiert werden kann, ohne zusätzliches Vakuum erzeugen zu müssen. Dazu wird als Steuerdruck der auf der Druckseite (6, 29) der Ladedruckpumpe erzeugte und im Bypass anliegende Druck genutzt. Die elektrische Steuerung des Steuerdrucks erfolgt über ein Elektromagnetventil (2, 39), welches über eine Steuereinheit ansteuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubumluftventilvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Turbolader, welche in einem Bypass zwischen der Druckseite und der Ansaugseite einer Ladedruckpumpe des Turboladers angeordnet ist, und ein Elektromagnetventil und ein Schubumluftventil mit einem Gehäuse, in dem ein Ventilstellglied mit einem Ventilschließkörper über einen in einer Steuerdruckkammer anliegendem Steuerdruck pneumatisch betätigbar ist, aufweist.

Schubumluftventilvorrichtungen sind hinlänglich bekannt. Die Verbindung zwischen der Druckseite und der Ansaugseite einer Ladedruckpumpe eines Turboladers durch eine Bypassleitung wird für den Übergang von einer hohen Last in den Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine benötigt, um eine hohe Förderung der Ladedruckpumpe gegen eine geschlossene Drosselklappe und den daraus entstehenden Pumpeffekt sowie ein zu starkes plötzliches Absenken der Turbodrehzahl mit den Folgen thermodynamischer Probleme zu verhindern. Ein Beispiel einer solchen Anordnung wird in der Offenlegungsschrift DE 197 12 850 A1 beschrieben. Hier ist ein Schubumluftventil in einer Bypassleitung eines zu einem Turbolader gehörenden Verdichters angeordnet. Es wird über ein Elektromagnetventil angesteuert, welches beim Schalten dem Schubumluftventil einen Steuerdruck zur Verfügung stellt, der auf der Abströmseite einer Drosselklappe entnommen wird und somit dem dort vorhandenen Saugrohrdruck entspricht. Um eine reine Abhängigkeit bezüglich der Steuerung des Umluftventils vom Saugrohrdruck zu umgehen, kann das Elektromagnetventil alternativ dem Schubumluftventil einen aus einem Unterdruckbehälter stammenden Druck als Steuerdruck zur Verfügung stellen. Die Schaltstellung des Elektromagnetventils erfolgt dabei über eine Steuereinheit in Abhängigkeit verschiedener gemessener Motordaten. Des weiteren sind Anordnungen bekannt, bei denen der Steuerdruck der Druck einer externen Vakuumpumpe ist, der über ein entsprechend den Motordaten gesteuertes Elektromagnetventil dem Schubumluftventil zur Verfügung gestellt wird.

In der DE 100 20 041 A1 wird ein Schubumluftventil in einer Bypassleitung beschrieben, welches elektromagnetisch angetrieben wird und aufgrund vorhandener Motordaten angesteuert wird.

Nachteilhaft an einer solchen elektromagnetisch angetriebenen Schubumluftventilvorrichtung ist der hohe Stromverbrauch und das relativ große Bauvolumen.

Bezüglich der pneumatisch aktuierten Schubumluftventilvorrichtungen bleibt der Nachteil ihres komplexen Aufbaus zu nennen. Die Verwendung zusätzlicher Aggregate wie Unterdruckpumpen oder Vakuumbehältern sowie deren Anschlußleitungen birgt mögliche Fehlerursachen und erhöht die Kosten eines solchen Systems.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung eine Schubumluftventilvorrichtung zu schaffen, bei der auf zusätzliche Aggregate und Leitungen verzichtet werden kann und gleichzeitig der Stromverbrauch und die Größe des Ventils reduziert werden können. Hierdurch sollen Kosten gegenüber herkömmlicher Systeme eingespart und mögliche Fehlerquellen minimiert werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerdruckkammer des Schubumluftventils fluidisch mit der Bypassleitung verbindbar ist. Durch einen solchen Aufbau kann auf zusätzliche Leitungen und Aggregate verzichtet und so Kosten eingespart werden, ohne zusätzliche Aggregate zu benötigen.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steuerdruckkammer des Schubumluftventils mit der Druckseite des Verdichters fluidisch verbindbar ist. Dadurch steht dem Schubumluftventil immer ein ausreichend hoher Steuerdruck zum Öffnen und Schließen zur Verfügung, so daß die Funktion des Ventils sichergestellt ist.

Erfindungsgemäß ist die Steuerdruckkammer über das Elektromagnetventil, welches über eine Steuereinheit ansteuerbar ist, mit der Bypassleitung fluidisch verbindbar, stellt also durch Schalten den Steuerdruck dem Schubumluftventil zur Aktuierung zur Verfügung. Auf diese Weise wird eine Aktuierung des Schubumluftventils aufgrund der Motordaten gewährleistet und die Funktion des Systems sichergestellt. Gleichzeitig wird im Vergleich zu elektromagnetisch aktuierten Schubumluftventilen nur ein Bruchteil des Stromes verbraucht und das pneumatisch aktuierte Schubumluftventil kann wesentlich kleiner, leichter und somit kostengünstiger hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Öffnen des Schubumluftventils das Elektromagnetventil so geschaltet, daß in der Steuerdruckkammer der auf der Druckseite der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt, während zum Schließen des Schubumluftventils das Elektromagnetventil so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer Umgebungsdruck anliegt. Die Steuerdruckkammer ist dabei zwischen einer ersten und einer zweiten mit dem Ventilschließkörper verbundenen Membran angeordnet ist, wobei die wirksame Fläche der zweiten Membran so gewählt ist, daß die resultierende Kraft der auf den Ventilschließkörper wirkenden pneumatischen Kräfte bei geschlossenem Ventil gleich Null ist. Der Ventilschließkörper wird lediglich durch eine Federkraft gegen einen Ventilsitz gedrückt. Bei entsprechender Auslegung der Feder ist dadurch sichergestellt, daß bei dieser druckausgeglichenen Ausführung bereits ein geringer Steuerdruck zum Öffnen des Ventils ausreicht und ein schnelles Ansprechverhalten beim Öffnen und Schließen ohne Behinderung durch den vorhandenen Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite gewährleistet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Schließen des Schubumluftventils das Elektromagnetventil so geschaltet, daß in der Steuerdruckkammer der auf der Druckseite der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt, während zum Öffnen des Schubumluftventils das Elektromagnetventil so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer der auf der Saugseite der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt. Die Steuerdruckkammer ist dabei zwischen einer mit dem Ventilschließkörper verbundenen Membran und einem Ventildeckel angeordnet, wobei die wirksame Fläche der Membran größer ist als die Kraftangriffsflächen auf der Saug- und der Druckseite des Ventilschließkörpers. Das Ventil weist zusätzlich ein im wesentlichen rohrförmiges Bauteil auf, welches axial entlang einer Mittelachse des Ventils angeordnet ist, über das die Steuerkammer über das Elektromagnetventil mit der Druckseite der Ladedruckpumpe fluidisch verbunden ist. Auch durch diese Ausführung ist ein schnelles Öffnen und Schließen des Ventils und ein sicherer Sitz des Ventilschließkörpers auf dem Ventilsitz bei allen Betriebsbedingungen gewährleistet.

Durch diese erfindungsgemäßen Ausführungen wird eine Schubumluftventilvorrichtung geschaffen, die die oben genannten Nachteile bereits bekannter Ausführungen vermeidet, einen einfachen Aufbau aufweist, Bauteilanzahl und somit mögliche Fehlerquellen minimiert und gleichzeitig ein zuverlässiges und schnelles Schalten sicherstellt.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schubumluftventilvorrichtung mit seitlich anliegendem Steuerdruck in geschnittener Darstellung in Seitenansicht.
2 zeigt eine andere erfindungsgemäße Schubumluftventilvorrichtung mit zentral anliegendem Steuerdruck in geschnittener Darstellung in Seitenansicht.
Die in 1 dargestellte Schubumluftventilvorrichtung besteht aus einem Schubumluftventil 1 mit einem angebauten mit diesem korrespondierenden Elektromagnetventil 2, welche als Einheit direkt an das Gehäuse 3 einer nicht dargestellten Ladedruckpumpe angeflanscht ist. Der Ventilschließkörper 4 trennt dabei eine Saugseite 5 von einer seitlich anliegenden Druckseite 6 einer Bypassleitung eines Verdichters.
Das Schubumluftventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 7, welches unter Zwischenlage einer Dichtung 8 mit dem Gehäuse 3 des Verdichters beispielsweise durch Schrauben, verbunden wird. An seiner gegenüberliegenden Seite wird es durch einen Deckel 9 verschlossen, wobei zwischen Deckel 9 und Gehäuse 7 der äußere Rand einer Membran 10 eingespannt ist, deren innerer Rand an einem Ventilstellglied 11 befestigt ist. Auf diese Weise wird zwischen der Membran 10 und dem Deckel 9 eine erste Kammer 12 gebildet. Der Deckel weist eine Entlüftungsöffnung 13 zum Druckausgleich in der Kammer 12 auf und zentriert in der Mitte seiner Kuppel ein Rohrstück 14, welches zur Aufnahme einer Druckfeder 15 dient, die vorge spannt zwischen der Kuppel des Deckels 9 und einem Boden 16 des Ventilstellgliedes 11 angeordnet ist und so das Ventilstellglied 11 in Schließrichtung verspannt. Das Ventilstellglied 11 weist, in Richtung des Deckels 9 weisend, ebenfalls ein Rohrstück 17 auf, dessen Durchmesser größer ist als der des Rohrstücks 14 und um dieses herum angeordnet ist und somit auch zur Aufnahme der Druckfeder 15 dient. Über ein kardanisches Kugelgelenk 18 ist das Ventilstellglied 11 mit dem Ventilschließglied 4 verbunden, welches aus einem Ventilkopf 19 und einer zweiten Membran 20 besteht, deren innerer Rand mit dem Ventilkopf 19 verbunden ist und deren äußerer Rand zwischen dem Gehäuse 7 und einem Haltering 21 eingespannt ist. Durch diese Anordnung wird zwischen der Membran 10 und der Membran 20 eine zweite Kammer gebildet, die als Steuerraum 22 dient.
Durch eine Bohrung 23 im Gehäuse 7 wird dieser Steuerraum 22 mit einem Anschluß des Elektromagnetventils 2 fluidisch verbunden. Das Elektromagnetventil 2 ist ebenfalls am Gehäuse 7 befestigt und gibt je nach Schaltzustand eine fluidische Verbindung zur Umgebung oder über eine weitere Bohrung 24 im Gehäuse 7 zur Druckseite 6 des Verdichters frei.
Befindet sich das Ventil 1 im geschlossenen Zustand so liegt im Steuerraum 22 Umgebungsdruck an. Die wirksame Fläche der Membran 20 wird so gewählt, daß die resultierende Kraft der auf das Ventilschließglied 4 wirkenden pneumatischen Kräfte bei geschlossenem Ventil 1 gleich Null ist. Da auch auf die erste Membran 10 keine pneumatischen Kräfte einwirken wird der Ventilschließkörper 4 lediglich durch die Federkraft gegen einen Ventilsitz 25 gepreßt. Zum Öffnen des Schubumluftventils 1 wird das Elektromagnetventil 2 nun so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer 22 der auf der Druckseite 6 der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt. Somit ist die Membran 20 druckausgeglichen. Die wirksame Fläche der zweiten Membran 10 ist so gewählt, daß die das Ventil 1 öffnende Kraft der nun belasteten Membran 10 groß genug ist, um die Federkraft und die auf das Ventilschließglied 4 wirkenden pneumatischen Kräfte zu überwinden und das Ventil 1 zu öffnen. Schaltet nun, nachdem der Pump- Effekt des Turboladers überwunden ist, das Elektromagnetventil 2 wiederum, entweicht der Druck aus der Steuerkammer 22 und das Ventil 1 schließt aufgrund der Federkraft erneut.
Bei der in 2 dargestellten Schubumluftventilvorrichtung liegt der Steuerdruck zentral und nicht seitlich wie in 1 an einem Schubumluftventil 26 an, wodurch ein anderer Aufbau notwendig wird. Auch hier trennt ein Ventilschließglied 27 die Saugseite 28 von der Druckseite 29 einer Bypassleitung eines Verdichters. Das Schubumluftventil ist in eine Bohrung 30 im Gehäuse 31 des nicht dargestellten Verdichters eingelassen. Ein Deckel 32 verschließt das Gehäuse 31 des Verdichters, wobei eine Membran 33 an ihrem äußeren Rand zwischen Deckel 32 und Gehäuse 31 eingespannt ist, so daß eine Kammer, die als Steuerraum 34 dient gebildet wird. Der innere Rand der Membran 33 ist mit einem Kragen 35 eines Ventilstellglied 36 verbunden. Der Deckel 32 ist fest verbunden oder einstückig ausgeführt mit einem Rohr 37, welches zentral in der Bohrungsöffnung 30 durch den Deckel 32 hindurch tritt, axial angeordnet ist und eine fluidische Verbindung zur Druckseite 29 des Verdichters herstellt. Um das Rohr 37 herum, in Axialrichtung verschiebbar angeordnet, befindet sich das Ventilstellglied 36, welches an seinem zur Druckseite 29 des Verdichters weisenden Ende mit einem Ventilschließkörper 27 verbunden ist, der aus einem elastischen Material hergestellt ist und dessen anderes Ende mit dem Rohr 37 fest verbunden ist.
Die aus dem Deckel 32 reichende Öffnung des Rohres 37 ist mit einer ersten Anschlußleitung 38 eines Elektromagnetventils 39 fluidisch verbunden, welches fest auf dem Deckel 32 angebracht ist. Über eine Bohrung 40 im Deckel 32 ist bei entsprechender Schaltung des Elektromagnetventils 39 eine fluidische Verbindung zwischen dem Steuerraum 34 und dieser ersten Leitung 38 und somit der Druckseite 29 des Verdichters herstellbar. Beim Umschalten des Elektromagnetventils wird der Steuerraum 34 über eine zweite Anschlußleitung 41, die durch eine Bohrung 42 im Gehäuse 31 führt, mit der Saugseite 28 des Verdichters verbunden.
Zum Schließen des Schubumluftventils 26 wird das Elektromagnetventil 39 nun so geschaltet, daß in der Steuerdruckkammer 34 der auf der Druckseite 29 der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt, wodurch die Membran 33 durch die Druckdifferenz zwischen Druck- 29 und Saugseite 28 belastet wird und den Ventilschließkörper 27 über das Ventilstellglied 36 auf einen Ventilsitz 43 drückt. Entgegengesetzt zu dieser auf die Membran 33 wirkende Kraft greift eine Kraft am Ventilschließkörper 27 an, so daß die wirksame Membranfläche größer sein muß als die Kraftangriffsfläche des Ventilkörpers. Durch Umschalten des Elektromagnetventils 39 liegt in der Steuerdruckkammer 34 der auf der Saugseite 28 der Ladedruckpumpe erzeugte Druck an, wodurch ein Druckausgleich an der Membran 33 stattfindet und das Ventil 26 durch die auf den Ventilschließkörper 27 wirkende Kraft öffnet. Zum Schließen des Ventils 26 wird erneut das Elektromagnetventil 39 geschaltet.
Mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen liegen Konstruktionen vor, durch die Schubumluftventilvorrichtungen rein elektrisch angesteuert und pneumatisch aktuiert werden können ohne zusätzliches Vakuum erzeugen zu müssen. Im Vergleich zu rein elektrisch aktuierten Ventilen sinken der Stromverbrauch und die Baugröße der Ventile.
Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Ausführungsformen des Schubumluftventils denkbar sind, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Schubumluftventilvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Turbolader, welche in einem Bypass zwischen der Druckseite und der Ansaugseite einer Ladedruckpumpe des Turboladers angeordnet ist, und ein Elektromagnetventil und ein Schubumluftventil mit einem Gehäuse, in dem ein Ventilstellglied mit einem Ventilschließkörper über einen in einer Steuerdruckkammer anliegendem Steuerdruck pneumatisch betätigbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckkammer (22, 34) des Schubumluftventils (1, 26) fluidisch mit der Bypassleitung verbindbar ist.
Schubumluftventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckkammer (22, 34) des Schubumluftventils (1, 26) mit der Druckseite (6, 29) des Verdichters fluidisch verbindbar ist.
Schubumluftventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckkammer (22, 34) über das Elektromagnetventil (2, 39), welches über eine Steuereinheit ansteuerbar ist, mit der Bypassleitung fluidisch verbindbar ist.
Schubumluftventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Öffnen des Schubumluftventils (1) das Elektromagnetventil (2) so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer (22) der auf der Druckseite (6) der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt.
Schubumluftventilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen des Schubumluftventils (1) das Elektromagnetventil (2) so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer (22) Umgebungsdruck anliegt.
Schubumluftventilvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckkammer (22) zwischen einer ersten und einer zweiten mit dem Ventilschließkörper (4) verbundenen Membran (10, 20) angeordnet ist, wobei die wirksame Fläche der zweiten Membran (20) so gewählt ist, daß die resultierende Kraft der auf den Ventilschließkörper (4) wirkenden pneumatischen Kräfte bei geschlossenem Ventil (1) gleich Null ist.
Schubumluftventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (4) durch eine Federkraft gegen einen Ventilsitz (25) gedrückt wird.
Schubumluftventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche der ersten Membran (10) so gewählt ist, daß die resultierende Kraft aller auf den Ventilschließkörper (4) wirkenden Kräfte groß genug ist, um das Ventil (1) zu öffnen.
Schubumluftventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen des Schubumluftventils (26) das Elektromagnetventil (39) so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer (34) der auf der Druckseite (29) der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt.
Schubumluftventilvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Öffnen des Schubumluftventils (26) das Elektromagnetventil (39) so geschaltet ist, daß in der Steuerdruckkammer (34) der auf der Saugseite (28) der Ladedruckpumpe erzeugte Druck anliegt.
Schubumluftventilvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckkammer (34) zwischen einer mit dem Ventilschließkörper verbundenen Membran (33) und einem Ventildeckel (32) angeordnet ist, wobei die wirksame Fläche der Membran (33) größer ist als die Kraftangriffsflächen auf der Saug- (28) und der Druckseite (29) des Ventilschließkörpers (27).
Schubumluftventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (26) ein im wesentlichen rohrförmiges Bauteil (37) aufweist, welches axial entlang einer Mittelachse des Ventils (26) angeordnet ist, über das die Steuerkammer (34) über das Elektromagnetventil (39) mit der Druckseite (29) der Ladedruckpumpe fluidisch verbunden ist.