DE10019834A1

DE10019834A1 - Wiedergewinnung für ein hydraulisches Rückschlagventil

Info

Publication number: DE10019834A1
Application number: DE10019834A
Authority: DE
Inventors: Steven J Funke; Dennis D Feucht
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2000-11-16
Also published as: SE0001431L; US6135073A; SE0001431D0

Abstract

Eine hydraulische Betätigungsvorrichtung für ein durch Federn geschlossenes Sitzventil ist mit einem elektrisch erregten Ventil verbunden, welches eine Hoch- oder Niederdruckströmungsmittelquelle für eine Kammer auswählt, in der sich ein Stößel in einem zylindrischen Körper hin und her bewegt. Der Verschluß des Sitzventils wird gesteuert durch Beschränkung des Strömungsmittelflusses von der Kammer zu der Niederdruckquelle. Anfänglich gibt es einen Verschlußfluß durch ein Verschlußrückschlagventil und dieser wird allmählich von einem kegelstumpfförmigen Ende des Stößels abgeschnitten. Der Verschlußfluß wird dann durch eine Zumeßöffnung beschränkt, die von einem Stumpfrückschlagventil während der Sitzventilöffnung umgangen wird. Das Verschlußrückschlagventil, ein Öffnungsanschluß und ein Wiedergewinnungsrückschlagventil öffnen sich radial durch den Körper. Das Verschlußrückschlagventil und der Öffnungsanschluß stehen in Verbindung mit einer ringförmigen Körpernut, die mit dem elektrisch erregten Ventil verbunden ist. Das Wiedergewinnungsrückschlagventil steht in Verbindung mit der Stößelkammer nach dem Stößelende und öffnet sich direkt zur Hochdruckquelle, wenn die kinetische Verschlußenergie der Betätigungselemente und des Sitzventils einen noch höheren Druck aufgrund des eingeschränkten Verschlußflusses entwickeln. Ein Teil dieser Energie wird somit für die Sitzventilöffnung wiedergewonnen. Die Zumeßöffnung und das Stumpfrückschlagventil sind zentral im Stößelende ...

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine hydraulische Betätigungsvorrichtung für ein Sitzventil eines Verbrennungsmotors und insbesondere auf eine derar tige Betätigungsvorrichtung, die ein Rückschlagventil be sitzt, um als hydraulische Energie die kinetische Ver schlußenergie der Betätigungsvorrichtung und des Ventils wieder zu gewinnen.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, wie im US-Patent 5531192, welches am 2. Juli 1996 ausgegeben wurde, ein durch Federn geschlosse nes Sitzventil mit einer hydraulischen Betätigungsvor richtung vorzusehen, die mit einem elektrisch angetriebe nen Ventil verbunden ist, welches eine Strömungsmittel quelle für hohen oder niedrigen Druck auswählt, und zwar für eine zylindrische Stößelkammer, die sich durch einen zylindrischen Körper erstreckt, und in der sich ein Stö ßel hin und her bewegt. Diese Betätigungsvorrichtung steuert das Verschließen des Sitzventils durch Einschrän kung des Strömungsmittelflusses von der Stößelkammer zur Niederdruckquelle. Beim letztendlichen Ventilverschluß wird dieser Fluß durch eine Zumeßöffnung eingeschränkt, die durch ein erstes Rückschlagventil während der Öffnung des Sitzventils umgangen wird, und zwar nach dem anfäng lich der Schließfluß durch ein zweites Rückschlagventil eingeschränkt wird, zudem der Fluß allmählich durch ein kegelstumpfförmiges Ende des Stößels abgeschnitten wird. Bei dieser Betätigungsvorrichtung öffnen sich die Öff nungsanschlüsse und das zweite Rückschlagventil radial durch den Körper, und die Zumeßöffnung und das erste Rückschlagventil sind in dem Stößel zentrisch von seinem kegelstumpfförmigen Ende angeordnet und stehen in Verbin dung mit dem Verschlußrückschlagventil durch eine ring förmige Kammer um den Stößel. Das zweite Rückschlagventil und die Öffnungsanschlüsse stehen in Verbindung mit einer ringförmigen Körperkammer, die mit dem elektrisch betä tigten Ventil verbunden ist, und die Öffnungsanschlüsse sind angeordnet, um mit der ringförmigen Stößelkammer in Verbindung zu stehen, wenn das Sitzventil geschlossen ist. Bei der Öffnung des Sitzventils schränkt das zweite Rückschlagelement den Strömungsmittelfluß zu den Öff nungsanschlüssen ein.

Es ist auch bekannt, wie beispielsweise im US-Patent 5562070, welches am 8. Oktober 1996 ausgegeben wurde, ei ne derartige Betätigungsvorrichtung für ein einzigartiges Sitzventil und einen Kolben vorzusehen, wobei das Ventil sowohl durch Strömungsmittelkräfte geöffnet als auch ge schlossen wird, und zwar mit einem Rückschlagventil, wel ches sich für ein Strömungsmittel öffnet, welches von ei nem Volumen über dem Kolben in eine Hochdruckquelle ge drückt wird, und zwar während des Aufsetzens des Ventils, um die Möglichkeit eines harten Stoßes während des Auf setzens des Ventils zu vermeiden.

Es ist somit offensichtlich, daß bei den Betätigungsvor richtungen, die durch diese Patente offenbart werden, die verschiedenen Rückschlagventil- und Strömungsmittelver bindungsanordnungen dazu dienen, die Verschlußgeschwin digkeit des Sitzventils und dessen Stoß zu steuern, und zwar anstatt die kinetische Energie des Sitzventils und der Betätigungselemente wieder zu gewinnen, die sich da mit während des Schließens bewegen, und somit die Lei stung zu verringern, die erforderlich ist, um Sitzventile zu betätigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Wiedergewinnungsventil für eine hydraulische Sitzventil betätigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors vorgese hen, wobei die kinetische Verschlußenergie des Sitzven tils und der sich bewegenden Elemente der Betätigungsvor richtung in einer Stößelkammer der Betätigungsvorrichtung einen größeren Druck erzeugt als in einer Hochdruckströ mungsmittelquelle zur Anregung des Sitzventils und der sich bewegenden Betätigungsvorrichtungselemente in einer offenen Position des Sitzventils. Das Wiedergewinnungs ventil verbindet die Kammer und die Quelle, wenn der Druck in der Kammer höher ist als in der Quelle, um einen Teil der kinetischen Energie als hydraulische Energie für die Sitzventilöffnung aufzufangen.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird das Sitzventil geöffnet bzw. geschlossen, und zwar durch Ver bindung der Stößelkammer mit der Hochdruckströmungsmit telquelle und mit einer Niederdruckströmungsmittelquelle, und die Verschlußgeschwindigkeit des Sitzventils und der sich bewegenden Betätigungsvorrichtungselemente wird ge steuert durch Beschränkung des Strömungsmittelflusses von der Stößelkammer zur Niederdruckquelle, so daß der oben erwähnte Druck, der größer ist, als jener in der Hoch druckströmungsmittelquelle, sich in der Stößelkammer ent wickelt. Das Sitzventil und die Betätigungsvorrichtungse lemente können zum Verschluß durch eine Feder angeregt werden, und das Wiedergewinnungsventil kann ein Rück schlagventil sein.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung hat die Betä tigungsvorrichtung einen Stößel, der sich in der Stößel kammer hin und her bewegt und sich durch den zylindri schen Körper zum Sitzventil hin erstreckt. Anfänglich ist der Strömungsmittelfluß beim Verschließen des Sitzventils primär durch ein sich schließendes Rückschlagventil und wird allmählich durch ein kegelstumpfförmiges Ende des Stößels abgeschnitten. Der Verschlußströmungsmittelfluß wird dann eingeschränkt durch eine Zumeßöffnung, die um gangen wird, wenn das Sitzventil sich öffnet, und zwar durch ein Stumpfrückschlagventil. Diese Zumeßöffnung und das Stumpfrückschlagventil sind in dem Stößel mittig zu seinem kegelstumpfförmigen Ende angeordnet und sie stehen zum Öffnen und stumpfen Abschließen des Strömungsmittel flusses mit einer ringförmigen Nut in Verbindung, die au ßerhalb des Stößels angeordnet ist.

Das Wiedergewinnungsrückschlagventil steht in Verbindung mit der Stößelkammer an einem Punkt, der axial nach dem kegelstumpfförmigen Stößelende liegt, wenn das Sitzventil geschlossen ist. Die Wiedergewinnungs- und Verschlußrück schlagventile sind einzeln in einem Paar von Ausnehmungen angeordnet, die sich radial durch den Körper von einem Paar von entsprechenden ringförmigen Nuten um den Körper herum erstrecken. Die ringförmige Nut, die dem Wiederge winnungsrückschlagventil entspricht, ist direkt mit der Hochdruckquelle verbunden, und der ringförmige Hohlraum, der dem Verschlußrückschlagventil entspricht, ist mit ei nem elektrisch angeregten Ventil verbunden, um die Hoch- oder die Niederdruckquelle auszuwählen. Ein Öffnungsan schluß erstreckt sich radial durch den Körper von dem letzteren ringförmigen Hohlraum und ist angeordnet, um mit der ringförmigen Stößelnut in Verbindung zu stehen, wenn das Sitzventil geschlossen ist. Beim Ventilöffnen schließt das Verschlußrückschlagventil, so daß Strömungs mittel nur zur Stößelkammer durch den Öffnungsanschluß fließen kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm eines Verbrennungsmotors mit einem Hydraulikventilbetätigungssystem, welches die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ver körpert, und zwar zur Wiedergewinnung durch ein Rückschlagventil;

Fig. 2 ist ein in gewisser Weise diagrammartiger Axialquerschnitt einer Betätigungsvorrichtung, die auf das Ventilbetätigungssystem der Fig. 1 anwendbar ist, und die ein solches Rückschlag ventil zur hydraulischen Wiedergewinnung auf weist; und

Fig. 3 ist ein Teil der Fig. 2 in größerem Maßstab, um ein Stößelende und zwei Rückschlagventile der Betätigungsvorrichtung zu zeigen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor gezeigt, der im all gemeinen vom Bezugszeichen 10 angezeigt wird, der ein Sitzventil 11 besitzt, welches von einer Feder 12 ver schlossen wird, und der ein Hydraulikventilbetätigungssy stem besitzt, welches im allgemeinen beim Bezugszeichen 13 gezeigt ist. Das System 13 betätigt das Sitzventil, um es in einer Verschlußrichtung zu bewegen, die in den Fig. 1 und 2 nach oben gerichtet ist, und zwar zu der abgebildeten geschlossenen Position, und in einer entge gengesetzten Öffnungsrichtung zu der nicht gezeigten üb lichen offenen Position. Das System 13 hat eine Nieder druckbetätigungsströmungsmittelquelle 15, die als eine Leitungslinie dargestellt ist, die von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird, und zwar vom Schmierölsumpf des Mo tors, und hat eine Hochdruckbetätigungsströmungsmittel quelle 16, die als eine weitere Leitungslinie dargestellt ist, die weiter von der Niederdruckquelle unter Druck ge setzt wird. Die bis jetzt beschriebenen Elemente können von herkömmlicher Konstruktion sein und müssen nicht wei ter beschrieben werden außer daß zu erwähnen ist, daß die Niederdruckquelle typischerweise einen Druck von weniger als 200 bis 400 PSI liefert, und daß die Hochdruckquelle typischerweise einen Druck von 1500 bis 5000 PSI liefert.

Das System 13 hat ein Ventil 20, welches mit den Quellen 15 und 16 verbunden ist. Das Ventil 20 hat eine Strö mungsmittelverbindung 21, die zwischen diesen Quellen durch irgendeine geeignete Vorrichtung 22 geschaltet wird, die typischerweise elektrisch erregt ist und elek tronisch gesteuert wird, um die Öffnungs- und Verschluß zeitpunkte des Ventils 11 auszuwählen. Die Verbindung 21 ist somit eine Dual- bzw. Zwei-Druck-Quelle für Betäti gungsströmungsmittel. Das Ventil 20 ist in einer Ver schlußposition P1 dargestellt, in der die Verbindung 21 mit der Niederdruckquelle 15 verbunden ist, und zwar zum Positionieren des Sitzventils 11 in seiner abgebildeten geschlossenen Position. Das Ventil 20 hat auch eine Öff nungsposition P2, in der die Verbindung 21 mit der Hoch druckquelle 16 verbunden ist, um das Sitzventil in seiner offenen Position zu positionieren. Das Ventil 20 und sein Betrieb können herkömmlich sein und müssen nicht weiter beschrieben werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, hat das Hydraulikventilbetäti gungssystem 13 verschiedene Elemente von im allgemeinen kreisförmiger Konstruktion, die über dem Sitzventil 11 und coaxial mit einer erwünschten Bewegungsachse des Sitzventils postioniert. Die Elemente des Systems 13 wei sen einen Mitnehmer 25 und einen Stößel 26 auf, der in nerhalb einer Stößelkammer 27 hin und her läuft, und zwar als ein Betätigungselement für ein Ventilelement, insbe sondere das Sitzventil. Die Elemente 25 und 26 sind sche matisch in Fig. 1 dargestellt und sind genauer in Fig. 2 gezeigt, wo sie in irgendeinem geeigneten Element 28 wie beispielsweise einem Zylinderkopf oder einem Sitzven tilbetätigungsvorrichtungskopf montiert sind. Der Mitneh mer 25 kann mit hydraulischen Schlageinstellanordnungen versehen sein, die von der Niederdruckquelle 15 unter Druck gesetzt werden, wobei diese Anordnungen auch her kömmlich sein können und somit nicht abgebildet sind.

Das Bezugszeichen 30 in Fig. 1 zeigt im allgemeinen eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Betätigung des Sitzventils 11 verkörpert. Die Betätigungsvorrichtung ist im Detail in Fig. 2 gezeigt und weist Elemente 25 und 26 und ande re Elemente auf, die schematisch in Fig. 1 dargestellt sind. Die Betätigungsvorrichtung hat einen zylindrischen Körper 31, der fest in einer Bohrung 33 des Kopfes 28 aufgenommen ist, und zwar benachbart zu einer Hochdruck schiene oder -leitung 35 und zu einer Dual-Druckleitung 36, wobei diese Leitungen jeweils direkt und wie in Fig. 1 dargestellt mit der Quelle 16 und der Verbindung 21 des Ventils 20 verbunden sind. Typischerweise ist das Ventil 20 mit dem einen Sitzventil 11 assoziiert und steuert dessen Zeitsteuerung, während die Leitung 35 Hochdruckbe tätigungsströmungsmittel zu einer Vielzahl von Sitzventi len liefert, die mit anderen Zylindern assoziiert sein können, als jene, die mit dem Sitzventil assoziiert sind. Hydraulikenergie, die gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergewonnen wird wie im folgenden beschrieben, ist so mit für die Sitzventile von diesen anderen Zylindern ver fügbar.

Der Körper 31 hat eine zylindrische Außenoberfläche 40 und eine zentrale Bohrung 41, die eine zylindrische In nenoberfläche des Körpers definiert und den Stößel 26 aufnimmt, und zwar zur Axialbewegung darin. Der Körper hat ein axiales Ende 42, welches am Mitnehmer 25 angeord net ist, wobei dieses Ende zur Bewegung des Stößels axial davon in Eingriff mit dem Mitnehmer 25 offen ist, der sich mit dem Sitzventil 11 bewegt. Der Körper hat ein entgegengesetztes Axialende 43, welches wie vom Bezugs zeichen 45 angezeigt mit irgendeiner geeigneten Steck anordnung versehen ist, die die Bohrungen 33 und 41 ver schließt. Der Körper hat zwei ringförmige Nuten 47 und 48, die in der Oberfläche 40 angeordnet sind. Axial vom Körper gelegen ist die Nut 47 benachbart zum Stecker 45, während die Nut 47 zentral angeordnet ist. Die Nut 47 ist direkt mit der Hochdruckleitung 35 verbunden, und die Nut 48 ist direkt mit der Dual-Druckleitung 36 verbunden.

Der Körper 31 hat einen Wiedergewinnungsdurchlaß 50, ei nen Verschlußdurchlaß 51 und einen Öffnungsdurchlaß 52, der sich radial durch den Körper zwischen seinen Oberflä chen 40 und 41 erstreckt. Der Wiedergewinnungsdurchlaß ist an der ringförmigen Nut 47 angeordnet und definiert eine Wiedergewinnungsstelle, die axial von der Bohrung 41 zwischen dem Stecker 45 und dem Stößel 26 angeordnet ist, wenn der Stößel in seiner abgebildeten Position entspre chend der geschlossenen Position des Sitzventils 11 ist. Der Verschlußdurchlaß 51 ist an dem Ende der Nut 48 ange ordnet, welches zur Nut 47 hin liegt. Der Verschlußdurch laß ist somit von dem Wiedergewinnungsdurchlaß zum Körpe rende 42 beabstandet, wobei der Stößel 26 im Eingriff mit dem Mitnehmer 25 gezeigt ist. Der Öffnungsdurchlaß 52 ist am Ende der Nut 48 gegenüberliegend zur Nut 47 angeord net, so daß der Öffnungsdurchlaß vom Verschlußdurchlaß zum Körperende 42 hin beabstandet ist. Es ist offensicht lich, daß an der Außenoberfläche 40 des Körpers 31 die Nut 48 die Dual-Druckleitung 36 mit einer Strömungsmit telverbindung zu den Durchlässen 51 und 52 versieht.

Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist ein Wiedergewin nungsrückschlagventil 55 im Durchlaß 50 angeordnet, und ein Verschlußrückschlagventil 56 ist im Durchlaß 51 ange ordnet, wobei diese Rückschlagventile schematisch in Fig. 1 dargestellt sind. Die Rückschlagventile 55 und 56 blockieren den Betätigungsströmungsmittelfluß radial zum Inneren des Körpers 31 durch die entsprechenden Durchläs se 50 und 51 und liefern einen solchen Fluß radial zum Äußeren des Körpers durch diese Durchlässe. Diese Rück schlagventile können eine geeignete Konstruktion haben wie beispielsweise die im wesentlichen identische Kon struktion, die in Fig. 2 in gewisser Weise vereinfacht ist, und die im Detail in Fig. 3 für das Rückschlagven til 56 gezeigt ist.

Das Ventil 56 hat einen Sitz 60, der im Körper 31 ausge bildet ist, und eine sich bewegende Scheibe 61, die in einer aufgesetzten Position abgebildet ist, in die die Scheibe durch eine Schraubenfeder 62 gedrückt wird, die in Fig. 2 zu Veranschaulichungszwecken weggelassen ist. Die sich bewegende Scheibe hat einen einheitlichen Schaft, der sich durch die befestigte Scheibe 63 er streckt. Wenn der Strömungsmitteldruck in der Zentralboh rung 41 größer ist als in der ringförmigen Nut 48 - oder der Nut 47 für das Ventil 55 - wird die sich bewegende Scheibe vom Sitz abgehoben und das Strömungsmittel fließt aus dieser Bohrung durch geeignete Öffnungen in die Scheiben, wobei die Öffnungen in der sich bewegenden Scheibe zur besseren Veranschaulichung weggelassen sind.

Es ist offensichtlich, daß im Falle des Wiedergewinnungs rückschlagventils 55 eine solche sich bewegende Scheibe während eines Zustandes vom Sitz abgehoben wird, wenn der Strömungsmitteldruck in der Mittelbohrung 41 beim Durch laß 50 größer ist als in der Hochdruckquelle 16. Es ist aus den Figuren offensichtlich, daß während dieses Zu standes das Ventil 55 die Strömungsmittelverbindung von innerhalb der Bohrung 41 zur Leitung 35 und somit zur Quelle 16 öffnet, da das Ventil 55 eine direkte Strö mungsmittelverbindung mit dieser Bohrung und mit dieser Quelle hat. Dieser Zustand wird im folgenden genauer be sprochen und wird verursacht durch die kinetische Ver schlußenergie des Sitzventils 11, des Mitnehmers 25 und des Stößels 26, wobei zumindest ein Teil dieser kineti schen Energie gemäß der Prinzipien der vorliegenden Er findung zur Leitung 35 durch das Rückschlagventil 55 zu rückgeleitet wird.

Mit Bezug auf den Stößel 26 ist der Stößel in der Zen tralbohrung 41 des Körpers 31 angeordnet, und zwar zu ei ner im wesentlichen strömungsmitteldichten und axial ver schiebbaren Bewegung. Der Stößel hat ein axiales Ende oder eine Endoberfläche 65, die in dem Körper angeordnet ist, ist axial von dem Stecker 45 beabstandet und er streckt sich quer zur Zentralbohrung. Der Stößel hat ein entgegengesetztes axiales Ende 66, welches zum Mitnehmer 25 hin angeordnet ist und damit in Eingriff steht, wobei das Ende 66 axial vom Körper weg bewegbar ist, um den Mitnehmer zum Sitzventil 11 hin zu treiben.

Es ist offensichtlich, daß die Stößelendoberfläche 65 zu sammen mit dem Stecker 45 und der Innenoberfläche der Zentralbohrung 41 eine Kammer 70 definiert, in der eine entsprechende Menge von Betätigungsströmungsmittel ist. Diese Kammer hat eine direkte Strömungsmittelverbindung mit dem Wiedergewinnungsrückschlagventil 55 durch den Durchlaß 50 und variiert bezüglich des Volumens, wenn der Stößel 26 in der Zentralbohrung hin und her läuft. Es ist auch offensichtlich, daß der Stößel 26, der die Oberflä che 65 trägt, betriebsmäßig mit dem Sitzventil 11 mittels des Mitnehmers 25 verbunden ist. Es ist weiterhin offen sichtlich, daß die Mittelbohrung den Stößel zur Axialbe wegung in einer Richtung 71 zum Stößelende 66 hin und in einer entgegengesetzten Richtung 72 zur Stößelendoberflä che 65 hin hält bzw. leitet. Der Stößel bewegt sich somit in der Richtung 71, um das Sitzventil zu öffnen und be wegt sich in der Richtung 72, wenn das Sitzventil schließt.

Der Stößel 26 hat eine ringförmige Nut 75, die axial dar an angeordnet ist, so daß wenn der Stößel in der abgebil deten Position ist, die der geschlossenen Position des Sitzventils 11 entspricht, die Nut 75 sich erstreckt bzw. ausdehnt, wie in Fig. 2 gezeigt, und zwar vom unteren Verschlußdurchlaß 51 über den Öffnungsdurchlaß 52. Die Nut 75 ist somit in Strömungsmittelverbindung mit dem sich öffnenden Durchlaß an der Oberfläche der Zentralboh rung 41. Der Stößel 26 besitzt eine Stößelleitung oder Stößelleitungen, die im allgemeinen durch das Bezugszei chen 77 angezeigt sind, wobei eine Strömungsmittelverbin dung zwischen dem Stößelende 65 und der ringförmigen Nut 75 und somit zwischen diesem Stößelende und der Leitung 36 vorgesehen wird. Durchlässe 77 sind mit Beschränkungs- und Rückschlagventilelementen versehen, die im allgemei nen durch das Bezugszeichen 78 angezeigt werden.

Die Durchlässe 77 und die Elemente 78 werden nun insbe sondere mit Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, wo zu se hen ist, daß sie eine Bohrung 80 aufweisen, die sich quer zum Stößel 26 erstreckt und in seine ringförmige Nut 75 öffnen und eine Zentralbohrung 81 aufweisen, die sich von der Querbohrung durch das axiale Ende 65 des Stößels er streckt. Die Bohrung 81 nimmt ein Stumpfrückschlagventil 83 auf, welches sich axial vom Stößel bewegt, und wie am besten in Fig. 3 zu sehen axial gegen einen Sitz 84 sitzt, der in dem Stößel ausgebildet ist. Ein Anschlag 85 ist fest in der Bohrung 81 aufgenommen und ist vom Ventil 83 etwas zum Stößelende 65 hin beabstandet, wenn das Ven til aufsitzt. Eine Schraubenfeder 86, die zur besseren Veranschaulichung in Fig. 2 weggelassen wird, erstreckt sich zwischen dem Anschlag und dem Ventil, um das Ventil in seine Sitzposition zu drücken. Wenn das Ventil in sei ner offenen oder nicht aufgesetzten Position ist, kann Betätigungsströmungsmittel in einer Richtung von der ringförmigen Nut 75 zum Stößelende 65 hin fließen, und zwar mit relativ geringer Einschränkung über den Sitz 84 und durch die Umfangsöffnungen im Anschlag 85, wobei die se Öffnungen zur bequemeren Veranschaulichung weggelassen sind. Der Anschlag und das Ventil sind mit jeweiligen Bohrungen oder Zumeßöffnungen 87 und 88 versehen, die sich axial dadurch erstrecken, wobei die letztere Zumeß öffnung bezüglich des Durchmessers kleiner ist.

Wenn das Betätigungsströmungsmittel durch die Durchlässe 77 in einer Richtung vom Stößelende 65 zur ringförmigen Nut 75 hin fließt, bewirkt dieser Fluß und die Feder 86, daß das Ventil 83 aufsitzt, so daß der Fluß in dieser Richtung durch die Durchlässe 77 durch die Zumeßöffnung 88 in größerem Ausmaß eingeschränkt wird als der Fluß in die entgegengesetzte Richtung durch diese Durchlässe ein geschränkt wird. Es ist aus Fig. 2 zu sehen, daß die Zu meßöffnung 88 somit den Strömungsmittelfluß von der Kam mer 70 zur Leitung 36 hin mittels des Durchlasses 52 ein schränkt.

Das Stößelende 65 hat einen kegelstumpfförmigen Beschrän kungsteil 90. Wenn das Sitzventil 11 offen ist, wird die ser Teil entgegengesetzt zum Verschlußdurchlaß 51 vom Stecker 45 angeordnet, so daß wenn das Sitzventil darauf folgend beginnt zu schließen, der Fluß der Betätigungs strömungsmittelmenge in der Kammer 70 im Verschlußdurch laß und durch das Verschlußrückschlagventil 56 von diesem Beschränkungsteil nicht beschränkt wird - und auch durch die oben beschriebene Zumeßöffnung 88, die von dem Ver schlußdurchlaß umgangen wird. Wenn jedoch das Ventil schließt und der Stößel sich in Richtung 72 bewegt, be schränkt der kegelstumpfförmige Teil ansteigend diesen Strömungsmittelfluß und schließt ihn schließlich ab, so daß der letztendlich abschließende Fluß jener ist, der oben beschrieben wurde, und zwar durch die Zumeßöffnung 88, die ringförmige Stößelnut 75 und den Durchlaß 52.

Es sei bemerkt, daß an diesem Punkt der Durchlaß 52 "Öffnungsdurchlaß" genannt wird, obwohl dieser letzte Verschlußfluß vorbeiläuft, da dieser ganze Öffnungsfluß durch den Durchlaß 52 läuft, und zwar aufgrund dessen, daß das Rückschlagventil 56 den Durchlaß 51 während des Hochdruckströmungsmittelflusses zur Kammer 70 blockiert, um das Sitzventil zu öffnen. Indem man die Durchlässe 51 und 52 parallel nur mit dem Durchlaß 52 hat, der beim Öffnen des Sitzventils verwendet wird, können unter schiedliche und variierende Flußeinschränkungen beim Öff nen und Schließen des Sitzventils vorgesehen werden, ein Merkmal, welches bei der vorliegenden Erfindung nicht es sentiell ist, mit dem sie jedoch verwendet werden kann.

Betrieb

Der Betrieb des Hydraulikventilbetätigungssystems 13 zum Öffnen und Schließen des Sitzventils 11 mit Wiedergewin nung für das hydraulische Rückschlagventil von hydrauli scher kinetischer Energie des Ventils wird nun beschrie ben.

Wenn das Ventil und die verschiedenen Elemente des Sy stems in ihrer Position sind, die in den Figuren abgebil det ist, wo das Sitzventil 11 geschlossen ist, wird das Schaltventil 20 betätigt, um die Dual-Druckleitung 36 mit der Hochdruckquelle 16 zu verbinden. Das Betätigungsströ mungsmittel fließt dann von dieser Leitung durch die ringförmige Körpernut 48, den Öffnungsdurchlaß 52, die ringförmige Stößelnut 75 und die Stößeldurchlässe 77 zur Kammer 70, wo der hohe Druck auf das Stößelende 75 wirkt, welches den Stößel 26 in der Öffnungsrichtung 71 und ge gen den Mitnehmer 25 treibt, so daß der Mitnehmer mit dem Sitzventil in Eingriff kommt und es öffnet, während er die Feder 12 zusammendrückt. Wenn dies auftritt, bloc kiert das Verschlußrückschlagventil 56 den Fluß des Betä tigungsströmungsmittelflusses durch den Verschlußdurch laß, und das Stumpfrückschlagventil 83 öffnet die Bypass- bzw. Umgehungszumeßöffnung 88, so daß der Öffnungsfluß nicht dadurch eingeschränkt wird.

Wenn das Sitzventil 11 zu verschließen ist, wird das Schaltventil 22 betätigt, um die Dual-Druckleitung 36 mit der Niederdruckquelle 15 zu verbinden. Der höhere Druck in der Kammer 70 - der direkt von der Federenergie der Feder und dann durch die kinetische Energie des Sitzven tils, des Mitnehmers 25 und des Stößels 26 geliefert wird - bewirkt, daß die Betätigungsströmungsmittelmenge in der Kammer 70 daraus fließt, so daß der Stößel sich in Rich tung 72 bewegt und die Betätigungsvorrichtung 30 gestat tet es, daß das Sitzventil schließt.

Wie zuvor bemerkt ist dieser Fluß anfänglich und primär zur ringförmigen Körpernut 48 und zur Leitung 36 durch den Verschlußdurchlaß 51, da das Verschlußrückschlagven til 56 vom Sitz abgehoben wird und ohne Einschränkung durch den kegelstumpfförmigen Stößelteil 90. Wenn dieser Teil jedoch über den Verschlußdurchlaß läuft, wird der Verschlußfluß progressiv eingeschränkt, so daß der Ver schlußfluß nur durch die Stößeldurchlässe 77, die ring förmige Stößelnut 75 und den Körperdurchlaß 52 fließt, und zwar zur Körpernut, wobei der Verschlußfluß durch die Zumeßöffnung 88 aufgrund des Verschlusses des Stumpfrück schlagventils 83 eingeschränkt wird.

Wenn das Sitzventil 11 die Beschränkungen schließt, die auf den Verschlußströmungsmittelfluß aufgeprägt werden - progressiv durch den Stößelteil 90 und dann durch die Zu meßöffnung 88 - hat dies zur Folge, daß die zuvor erwähn te kinetische Energie der sich bewegenden Elemente einen Druck in der Kammer 70 erzeugt, der nicht nur höher ist als jener in der Niederdruckquelle 15, sondern auch höher ist als zur Leitung 35 durch die Hochdruckquelle 16 ge lieferte.

In einer hydraulischen Sitzventilbetätigungsvorrichtung, die der Betätigungsvorrichtung 30 ähnlich ist, die jedoch nicht die Wiedergewinnungselemente entsprechend dem Durchlaß 50" und dem Rückschlagventil 55 der vorliegen den Erfindung hat, wird diese kinetische Energie bei den Beschränkungselementen dissipiert bzw. abgeleitet. Bei der Betätigungsvorrichtung 30 jedoch zwingt der höhere Druck in der Kammer 70 das Wiedergewinnungsrückschlagven til, sich für den Strömungsmittelfluß radial zum Äußeren des Körpers 31 zu öffnen, und zwar durch den Wiedergewin nungsdurchlaß direkt zur Hochdruckleitung 35, so daß zu mindest ein Teil der kinetischen Energie zur Hoch druckquelle für die Sitzventilöffnung wieder zurückgelei tet wird. Es ist offensichtlich, daß das Wiedergewin nungsrückschlagventil 55 geschlossen wird, solange der Druck in der Kammer 70 nicht größer ist als jener in der Hochdruckleitung. Als eine Folge beeinflußt dieses Rück schlagventil nicht anderenfalls das Verschließen dieses Sitzventils 11 oder beeinflußt dessen Öffnung, außer wenn das Rückschlagventil eine solche Wiedergewinnung vor sieht.

Es ist offensichtlich, daß die Wiedergewinnung gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Betätigungsvorrichtung 30 auftritt, wenn das Rückschlagventil 55 die Verbindung zur Hochdruckleitung 35 von innerhalb der Zentralbohrung 41 bei einer Wiedergewinnungsstelle öffnet, die von dem Wie dergewinnungsdurchlaß 55 definiert wird und somit axial entlang dieser Bohrung zwischen dem Stecker 45 und dem Stößelende 65 angeordnet ist, wenn der Strömungsmittel druck an dieser Stelle größer ist als der Strömungsmit teldruck in der Hochdruckleitung.

Bei einem speziellen Motor 10, der die vorliegende Erfin dung verkörpert, kann das Ausmaß der Wiedergewinnung ge steigert werden, in dem man eine kegelstumpfförmige Stö ßelregion wegläßt, die dem Teil 90 des Stößels 26 ent spricht, so daß die kinetische Energie in dieser Region nicht dissipiert bzw. abgeleitet wird. Diese Modifikation kann kombiniert werden durch Variieren des Punktes der Bewegung eines Stößels, der dem Stößel 26 entspricht, an dem der Stößel ab einem Durchlaß schließt, der dem Durch laß 51 entspricht, und genauso ein Verschlußrückschlag ventil hat, so daß mehr Betätigungsströmungsmittel in ei ne entsprechende Leitung 35 fließen kann. Das Ausmaß der Wiedergewinnung kann auch gesteigert werden durch Verrin gerung der Größe der Zumeßöffnung entsprechend der Zumeß öffnung 88, so daß weniger Strömungsmittel durch diese Zumeßöffnung entweichen kann, während ein Verschlußrück schlagventil offen ist.

Computersimulationen zeigen an, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung ungefähr 10 Prozent der Energie wiedergewinnen kann, die für den Betrieb eines Auslaß sitzventils erforderlich ist, welches dem Ventil 11 ent spricht.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung damit be schrieben wurde, was man für ein praktisches und bevor zugtes Ausführungsbeispiel hält, sei bemerkt, daß Abwei chungen davon innerhalb des Umfangs der Erfindung vorge nommen werden können, die nicht durch die offenbarten veranschaulichenden Details eingeschränkt sind.

Claims

1. System zur Betätigung eines Ventilelementes zur Be wegung in einer Verschlußrichtung und in einer Öff nungsrichtung, wobei das System folgendes aufweist:
ein Betätigungsströmungsmittel;
eine Niederdruckquelle für das Strömungsmittel auf einem relativ niedrigeren Druck;
eine Hochdruckquelle für das Strömungsmittel auf ei nem relativ höheren Druck;
Mittel, die eine Kammer definieren, wobei die Mittel eine Oberfläche eines Betätigungselementes aufwei sen, welches mit dem Ventilelement verbunden ist;
Mittel zur selektiven Verbindung der Nieder druckquelle mit der Kammer, wenn das Ventilelement sich in der Verschlußrichtung bewegen muß, und die die Hochdruckquelle mit der Kammer verbinden, wenn das Ventilelement sich in die Öffnungsrichtung bewe gen muß;
Mittel, die das Betätigungselement zur Bewegung in einer Richtung entsprechend der Öffnungsrichtung halten bzw. befestigen, und zwar angeregt durch den Druck des Strömungsmittels von der Hochdruckquelle, um das Ventilelement in der Öffnungsrichtung zu be wegen, und zur Bewegung in einer entgegengesetzten Richtung entsprechend der Verschlußrichtung, und zu mindest teilweise angeregt durch die kinetische Energie des Ventilelementes und des Betätigungsele mentes, so daß der Druck des Strömungsmittels in der Kammer größer ist als der höhere Druck; und
Wiedergewinnungsventilmittel zur Verbindung der Kam mer mit der Hochdruckquelle, wenn der Druck des Strömungsmittels in der Kammer größer ist als der höhere Druck, so daß zumindest ein Teil der kineti schen Energie zur Hochdruckquelle zurückgeleitet wird.

2. System zur Betätigung eines Ventilelementes nach An spruch 1, welches weiter Mittel aufweist, die eine Flußeinschränkung von der Kammer zu der Nieder druckquelle haben, um die Geschwindigkeit des Venti lelementes in der Verschlußrichtung zu reduzieren, wobei die Einschränkung zu dem Druck des Strömungs mittels in der Kammer beiträgt, der größer ist als der höhere Druck, wenn sich das Betätigungselement in der entgegengesetzten Richtung bewegt, und zumin dest teilweise durch die kinetische Energie des Ven tilelementes und des Betätigungselementes angeregt wird.

3. System zur Betätigung eines Ventilelementes nach An spruch 1, wobei die Wiedergewinnungsventilmittel ein Rückschlagventil aufweisen, und zwar mit direkter Strömungsmittelverbindung mit der Kammer und der Hochdruckquelle.

4. System zur Betätigung eines Ventilelementes nach An spruch 1, wobei das Ventilelement ein Sitzventil ist, welches sich entlang einer vorbestimmten Achse bewegt, und zwar anfänglich erregt in der Ver schlußrichtung durch die Federenergie, die gespei chert wird, wenn das Sitzventil in der Öffnungsrich tung durch das erwähnte Strömungsmittel angeregt wird, und zwar auf einem relativ höheren Druck, und wobei
die Kammer teilweise durch eine zylindrische Bohrung im wesentlichen parallel zur erwähnten Achse defi niert wird; wobei
das Betätigungselement im allgemeinen zylindrisch ist und in der Bohrung angeordnet ist, und zwar zur im wesentlichen strömungsmitteldichten und axial verschiebbaren Bewegung, so daß die Bohrung das Be tätigungselement zur Bewegung in der einen Richtung und in der entgegengesetzten Richtung hält; wobei die Oberfläche des Betätigungselementes sich quer zur zylindrischen Bohrung erstreckt; und wobei die Wiedergewinnungsventilmittel eine direkte Strö mungsmittelverbindung mit der Kammer haben.

5. Hydraulische Ventilbetätigungsvorrichtung für ein Sitzventil, welches betriebsmäßig mit einer Hoch druckströmungsmittelquelle und mit einer Dual- Druckquelle assoziiert ist, die selektiv mit der Hochdruckströmungsmittelquelle und einer Nieder druckströmungsmittelquelle zu verbinden ist, wobei die Betätigungsvorrichtung folgendes aufweist:
eine Hochdruckleitung, die mit der Hochdruckquelle verbunden ist;
eine Dual-Druckleitung, die mit der Dual-Druckquelle verbunden ist;
einen Körper mit einer zylindrischen Innenoberfläche und axial entgegengesetzten Enden;
Steckermittel zum Verschluß von einem der axial ent gegengesetzten Enden;
einen Stößel, der innerhalb der Innenoberfläche an geordnet ist, und zwar zur Bewegung axial zur In nenoberfläche, wobei der Stößel ein Axialende be sitzt, welches in dem Körper angeordnet ist, und zwar axial beabstandet von den Steckermitteln und mit einem entgegengesetzten Ende, welches axial aus dem Körper ausfahrbar ist;
Wiedergewinnungsmittel zur Öffnung der Strömungsmit telverbindung zur Hochdruckleitung von innerhalb der Innenoberfläche an einer Wiedergewinnungsstelle, die axial entlang der Innenoberfläche angeordnet ist, und zwar zwischen den Steckermitteln und dem erwähn ten einen axialen Ende des Stößels, wenn der Strömungsmitteldruck an der Stelle größer ist als der Strömungsmitteldruck in der Hochdrucklei tung; und
Durchlaßmittel zum Vorsehen einer Strömungsmittel verbindung zwischen der Dual-Druckleitung und dem einen axialen Ende des Stößels.

6. Hydraulische Ventilbetätigungsvorrichtung nach An spruch 5, wobei die Durchlaßmittel eine Zumeßöffnung aufweisen, die den Strömungsmittelfluß in einer Richtung zur Dualdruckleitung beschränken.

7. Hydraulische Ventilbetätigungsvorrichtung nach An spruch 5, wobei die Wiedergewinnungsmittel ein Rück schlagventil aufweisen.

8. Hydraulische Ventilbetätigungsvorrichtung nach An spruch 5, wobei
der Körper eine im allgemeinen zylindrische Außen oberfläche hat;
die Wiedergewinnungsmittel einen Wiedergewinnungs durchlaß aufweisen, der sich radial durch den Körper bei der Wiedergewinnungsstelle erstreckt und ein Wiedergewinnungsrückschlagventil aufweisen, welches in dem Wiedergewinnungsdurchlaß angeordnet ist, um den Strömungsmittelfluß radial zum Inneren des Kör pers durch den Wiedergewinnungsdurchlaß zu blockie ren, und um den Strömungsmittelfluß radial zum Äuße ren des Körpers durch den Wiedergewinnungsdurchlaß zu leiten;
wobei die Durchlaßmittel folgendes aufweisen:
einen Verschlußdurchlaß, der sich radial durch den Körper an einer Stelle erstreckt, die axial entlang der Innenoberfläche von der Wiedergewinnungsstelle zu dem erwähnten entgegengesetzten Ende des Stößels beabstandet ist,
ein Verschlußrückschlagventil, welches in dem Ver schlußdurchlaß angeordnet ist, um den Strömungsmit telfluß in einer Richtung radial zum Inneren des Körpers durch den Verschlußdurchlaß zu blockieren, und um den Strömungsmittelfluß radial zum Äußeren des Körpers durch den Verschlußdurchlaß zu leiten;
einen Öffnungsdurchlaß, der sich radial durch den Körper an einer Stelle erstreckt, die axial entlang der Innenoberfläche vom Verschlußdurchlaß zu dem er wähnten entgegengesetzten Ende des Stößels beabstan det ist,
eine ringförmige Nut, die außerhalb des Stößels an geordnet ist, und zwar zur Strömungsmittelverbindung mit dem Öffnungsdurchlaß an der Innenoberfläche des Körpers,
eine Stößelleitung, die in dem Stößel angeordnet ist, und zwar zur Strömungsmittelverbindung zwischen der ringförmigen Nut und dem einen axialen Ende des Stößels,
Beschränkungsmittel, die in der Stößelleitung ange ordnet sind, um den Strömungsmittelfluß in einer Richtung von dem einen axialen Ende zu der ringför migen Nut in größerem Ausmaß einzuschränken als die Stößelleitung den Strömungsmittelfluß in einer Rich tung von der ringförmigen Nut zum einen axialen Ende einschränkt; und
wobei die Dual-Druckleitung an der erwähnten Außen oberfläche des Körpers mit dem Verschlußdurchlaß und dem Öffnungsdurchlaß in Verbindung steht.

9. Hydraulische Ventilbetätigungsvorrichtung nach An spruch 8, wobei
der Stößel sich in einer Richtung zu dem entgegenge setzten axialen Ende des Stößels hin bewegt, um das Sitzventil zu öffnen, wenn das Betätigungsströmungs mittel bei der Dual-Druckleitung von der Hoch druckquelle geliefert wird;
wobei die Dual-Druckleitung mit der Niederdruckquel le verbunden ist, um das Sitzventil zu schließen, und wobei sich der Stößel in einer Richtung zu dem einen axialen Ende des Stößels bewegt, wenn das Sitzventil schließt;
wobei eine Menge des Betätigungsströmungsmittels in nerhalb der Innenoberfläche des Körpers angeordnet ist, und zwar an dem erwähnten einen axialen Ende des Stößels, wenn das Sitzventil schließt; und
wobei wenn das Sitzventil schließt kinetische Ener gie des Sitzventils und des Stößels einen Druck in der Menge des Betätigungsströmungsmittels erzeugt, der größer ist als der Druck des Betätigungsströ mungsmittels an der Hochdruckleitung, da die erwähn ten Beschränkungsmittel den Strömungsmittelfluß in einer Richtung von dem einen axialen Ende zu der ringförmigen Nut beschränken, und wobei
das Wiedergewinnungsrückschlagventil dazu gezwungen wird, sich für den Strömungsmittelfluß radial zum Äußeren des Körpers durch den Wiedergewinnungsdurch laß zur Hochdruckleitung zu öffnen.

10. Hydraulische Ventilbetätigungsvorrichtung nach An spruch 9, wobei
der Öffnungsdurchlaß axial entlang des Stößels ange ordnet ist, so daß der Öffnungsdurchlaß mit der In nenoberfläche des Körpers an dem einen axialen Ende des Stößels mittels der erwähnten axialen Nut des Stößels und der Stößelleitung in Verbindung steht, um das Sitzventil zu öffnen, wenn Betätigungsströ mungsmittel an der Dual-Druckleitung von der Hoch druckquelle geliefert wird; wobei
wenn Betätigungsströmungsmittel an der Dual-Druck leitung von der Hochdruckquelle zur Öffnung des Sitzventils geliefert wird, das Verschlußrückschlag ventil den Fluß des Betätigungsströmungsmittelflus ses durch den Verschlußdurchlaß blockiert; wobei
wenn die Dual-Druckleitung anfänglich mit der Nie derdruckquelle verbunden ist, um das Sitzventil zu schließen, Betätigungsströmungsmittel innerhalb der Innenoberfläche des Körpers an dem erwähnten einen axialen Ende des Stößels angeordnet ist, und wobei das Verschlußrückschlagventil sich für den Fluß des Betätigungsströmungsmittels durch den Verschluß durchlaß zur Dual-Druckleitung öffnet; wobei
der Stößel einen Beschränkungsteil an dem erwähnten einen axialen Ende hat, wobei der Beschränkungsteil so konfiguriert ist, daß er ansteigend den Strö mungsmittelflußteil in dem Verschlußdurchlaß be schränkt, wenn sich der Stößel in einer Richtung zu dem erwähnten einen axialen Ende hin bewegt; und wo bei
wenn das Sitzventil schließt, kinetische Energie des Sitzventils und des Stößels einen Druck in der Menge des Betätigungsströmungsmittels erzeugt, die größer ist als der Druck des Betätigungsströmungsmittels an der Hochdruckleitung, da der Beschränkungsteil den Strömungsmittelfluß durch den Verschlußdurchlaß be schränkt, und wobei
das Wiedergewinnungsrückschlagventil gezwungen wird, sich für den Strömungsmittelfluß radial zum Äußeren des Körpers durch den Wiedergewinnungsdurchlaß zur Hochdruckleitung zu öffnen.