DE10103164A1

DE10103164A1 - Pilotbetätigte Schieberventilanordnung und Brennstoffeinspritzvorrichtung unter Verwendung derselben

Info

Publication number: DE10103164A1
Application number: DE10103164A
Authority: DE
Inventors: Steven Y Tian
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2001-08-16
Also published as: US6283441B1

Abstract

Eine pilotbetätigte Schieberventilanordnung umfaßt einen Ventilkörper, der einen ersten Durchlaß, einen zweiten Durchlaß und einen Strömungsdurchlaß definiert. Ein einheitlicher Pilotkörper ist mindestens teilweise in dem Ventilkörper angeordnet und besitzt einen ersten Ventilsitz und einen zweiten Ventilsitz. Ein Pilotglied ist beweglich in dem Pilotkörper zwischen einer oberen Position, in der das Pilotglied den ersten Ventilsitz schließt, und einer unteren Position, in der das Pilotglied den zweiten Ventilsitz schließt. Ein Schieberventilglied besitzt eine Steuerhydraulikoberfläche und ist in dem Ventilkörper angeordnet. Es ist beweglich zwischen einer ersten Position, in der der erste Durchlaß zu dem Strömungsdurchlaß hin offen ist, und einer zweiten Position, in der der zweite Durchlaß zum Strömungsdurchlaß hin offen ist. Mindestens ein Element aus Ventilkörper, Pilotkörper, Pilotglied und Schieberventilglied definiert ein Steuervolumen, das strömungsmittelmäßig mit dem ersten Durchlaß verbunden ist, wenn das Pilotglied in seiner oberen Position oder in seiner unteren Position ist. Die Steuerhydraulikoberfläche des Schieberventilglieds ist dem Strömungsmitteldruck in dem Steuervolumen ausgesetzt. Die Ventilanordnung findet ihre bevorzugte Anwendung in einer hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einem Direktsteuernadelventil.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Steuerventile und insbe sondere auf pilotbetätigte Schieberventilanordnungen.

Stand der Technik

In vielen hydraulisch betätigten Einrichtungen, wie beispielsweise hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtungen, steuert eine Dreiwegventilanord nung den Betrieb der Einrichtung. Im allgemeinen öffnet die Ventilanordnung einen internen Arbeitsströmungsdurchlaß zu einem Hochdruckdurchlaß, wenn die Einrichtung arbeitet, wie beispielsweise zum hydraulischen Bewegen ei nes Kolbens. Zwischen Betriebsereignissen ist der Arbeitsströmungsdurchlaß zu einem Niedrigdruckdurchlaß oder Abfluß hin geöffnet, so daß das ge brauchte Strömungsmittel in dem Strömungsdurchlaß entfernt werden kann und die Einrichtung für ihr nächstes Betriebsereignis zurückgesetzt werden kann. Im Fall einer hydraulisch betätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung wirkt Hochdruckströmungsmittel auf ein Pumpelement, um Brennstoff während ei nes Einspritzvorgangs unter Druck zu setzen, und das Pumpelement zieht und stellt sich zwischen den Einspritzereignissen zurück. In einigen Fällen besteht die Steuerventilanordnung im wesentlichen aus einem Sitzventilglied, das zwischen einem Paar konischer Ventilsitze durch einen Elektromagnetbetäti ger bewegt wird.

Obwohl die relativ einfachen, elektromagnetbetätigten Sitzventile über viele Jahre gut gearbeitet haben, suchen Ingenieure stets Wege zum Verbessern der Leistung, zum Erhöhen der Zuverlässigkeit und zum Vermindern der Ko sten. Zusätzlich gibt es häufig einen Trend zum Hinzufügen zusätzlicher Funktionen zu der Steuerventilanordnung, um zusätzliche Funktionen vorzu sehen, wie beispielsweise das Steuern eines Direktsteuernadelventils in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung. Eine Antwort auf diese Trends besteht darin, ein pilotbetätigtes Ventil dafür einzusetzen, das einen relativ kleinen Elektro magneten verwendet zum Bewegen eines kleinen Pilotglieds, welches seiner seits die Position eines relativ größeren Schieberventils steuert, das die Hoch- und Niedrigdruckdurchlässe öffnet und schließt. Diese pilotbetätigten Ventile können eine Anzahl verschiedener Instruktionen aufweisen, einschließlich solcher, bei denen das Pilotglied eine Kugel ist oder ein relativ kleines Sitz ventilglied, das sich zwischen konischen Ventilsitzen bewegt. Während diese neueren Pilotventilanordnungen gut gearbeitet haben, verbleibt dennoch Raum für Verbesserungen in Bereichen wie beispielsweise die Verminderung der Teilezahl, Verbessern der konzentrischen Ausrichtung zwischen Ventil komponenten, Integrieren der Ventilanordnung in eine relativ kleine Packung, und Verbessern der Fähigkeit der Ventilanordnung, gleichzeitig zwei oder mehr Funktionen zu steuern, wie beispielsweise die Brennstoffunterdruckset zung und die Einspritzzeitabstimmung.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese und andere Aspekte von pilotbetätigten Ventilanordnungen zu verbessern, insbesondere soweit sie sich auf Brennstoffeinspritzvorrichtungen beziehen.

Offenbarung der Erfindung

Eine pilotbetätigte Schieberventilanordnung umfaßt einen Ventilkörper, der einen ersten Durchlaß, einen zweiten Durchlaß und einen Strömungsdurchlaß definiert. Ein einheitlicher Pilotkörper ist mindestens teilweise in dem Ventil körper angeordnet und besitzt einen ersten Ventilsitz und einen zweiten Ven tilsitz. Ein Pilotglied ist in dem Pilotkörper beweglich zwischen einer oberen Position, in der das Pilotglied den ersten Ventilsitz schließt, und einer unteren Position, in der das Pilotglied den zweiten Ventilsitz schließt. Ein Schieber ventilglied besitzt eine Steuerhydraulikoberfläche und ist in dem Ventilkörper angeordnet. Es ist beweglich zwischen einer ersten Position, in der der erste Durchlaß zum Strömungsdurchlaß hin offen ist, und einer zweiten Position, in der der zweite Durchlaß zum Strömungsdurchlaß hin offen ist. Mindestens ein Element aus Ventilkörper, Pilotkörper, Pilotglied und Schieberventilglied defi niert ein Steuervolumen, das strömungsmittelmäßig mit dem ersten Durchlaß verbunden ist, wenn das Pilotglied in seiner oberen Position oder in seiner unteren Position ist. Die Steuerhydraulikoberfläche des Schieberventilglieds ist dem Strömungsmitteldruck in dem Steuervolumen ausgesetzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer hydraulisch be tätigten Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht des pilotbetätigten Schieber ventilanordnungsteils der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffeinspritz vorrichtung.

Bestes Verfahren zur Ausführung der Erfindung

Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 umfaßt eine hydraulisch betätigte Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 einen Einspritzkörper 11 bestehend aus ver schiedenen Komponenten, die aneinander auf bekannte Weise befestigt sind. Der Einspritzkörper 11 definiert einen Betätigungsströmungsmitteleinlaß 12, der mit einer Quelle von Hochdruckbetätigungsströmungsmittel 17 über eine Hochdruckversorgungsleitung 18 verbunden ist, und einen Brennstoffeinlaß 13, der mit einer Brennstoffquelle 15 über eine Brennstoffversorgungsleitung 16 verbunden ist. Der Einspritzvorrichtungskörper 11 definiert auch einen Niedrigdruckdurchlaß 33, der über einen Betätigungsströmungsmittelabfluß 20 mit einem Niedrigdruckbetätigungsströmungsmittelreservoir 19 verbunden ist. Zusätzlich definiert der Einspritzvorrichtungskörper 11 einen Ankerhohlraum auslaß 35 und einen Niedrigdruckauslaß 36, die über ein Paar von Niedrig druckauslaßdurchlässen 21 bzw. 22 mit dem Betätigungsströmungsmittelab fluß 20 verbunden sind. Schließlich definiert der Einspritzvorrichtungskörper 11 einen Düsenauslaß 14, der vorzugsweise in einem Verbrennungsraum ei nes Verbrennungsmotors angeordnet ist. In dem bevorzugten Ausführungs beispiel ist die Quelle von Hochdruckbetätigungsströmungsmittel eine ge meinsame Schiene bzw. Leitung (common rail), die unter Druck gesetztes Schmieröl enthält, das Niedrigdruckbetätigungsströmungsmittelreservoir ist der Motorölschmierölsumpf, und die Brennstoffquelle 15 ist ein Brennstoff tank, der raffinierten Dieselbrennstoff bei relativ niedrigem Druck enthält. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 wird bezüglich ihres Betriebs gesteuert über eine Ventilanordnung 30, die betätigt wird durch einen einzigen elektrischen Betätiger 40, der vorzugsweise ein Elektromagnet ist, aber irgendein anderer geeigneter elektrischer Betätiger sein könnte, wie beispielsweise ein piezo elektrischer Betätiger.

Ein Teil des Einspritzvorrichtungskörpers 11 ist ein Ventilkörper 31, der einen Hochdruckdurchlaß 32 verbunden mit dem Betätigungsströmungsmitteleinlaß 12, einen Niedrigdruckdurchlaß 33 verbunden mit dem Betätigungsströ mungsmittelabfluß 20, und einen Betätigungsströmungsmittelströmungs durchlaß 34 definiert. Ein Pumpelement 24 umfaßt eine relativ große Hydrau likoberfläche 25, die dem Strömungsmitteldruck in dem Betätigungsströ mungsmittelströmungsdurchlaß 34 ausgesetzt ist, sowie eine relativ kleine Hydraulikoberfläche 26, die dem Brennstoffdruck in einer Brennstoffdruck kammer 27 ausgesetzt ist. Der Fachmann wird erkennen, daß das Pumpele ment 24 als Mittel dazu dient, den Brennstoff unter Druck zu setzen, und zwar auf einen relativ hohen Einspritzdruck, und zwar aufgrund der während eines Einspritzereignisses über das Betätigungsströmungsmittel auf die relativ gro ße Hydraulikoberfläche 25 ausgeübten Hydraulikkraft. Zwischen Einspritz ereignissen verbindet die Ventilanordnung 30 den Betätigungsströmungsmit telströmungsdurchlaß 34 strömungsmittelmäßig mit dem Niedrigdruckdurchlaß 33. Während dieses Einspritzereignisses ist der Betätigungsströmungsmittel strömungsdurchlaß 34 über eine Ventilanordnung 30 mit dem Hochdruck durchlaß 32 verbunden. Während eines Einspritzereignisses wandert in der Brennstoffdruckkammer 27 unter Druck gesetzter Brennstoff einen Düsenver sorgungsdurchlaß 28 an einem Direktsteuernadelventil 80 vorbei und durch den Düsenauslaß 14 aus der Einspritzvorrichtung hinab. Zwischen Einspritz ereignissen, wenn das Pumpelement 24 seinen nach oben gerichteten Zu rückziehhub durchführt, wird frischer Brennstoff an einem Rückschlagventil 29 vorbei in die Brennstoffdruckkammer 27 gezogen.

Das Direktsteuernadelventil 80 umfaßt eine schließende Hydraulikoberfläche 81, die dem Strömungsmitteldruck in einem Steuerdruckdurchlaß 37 ausge setzt ist, sowie eine Hubhydraulikoberfläche 82, die dem Brennstoffdruck in dem Düsenversorgungsdurchlaß 28 ausgesetzt ist. Zusätzlich ist das Direkt steuernadelventil 80 normalerweise nach unten zu seiner geschlossenen Po sition, in der es den Düsenauslaß 14 schließt, durch eine Vorspannfeder 83 vorgespannt. Die verschiedenen Hydraulikkräfte und Federstärken sowie die konstruktiv vorgesehenen Betätigungsströmungsmitteldrücke und Brennstoff einspritzdrücke sind derart, daß das Direktsteuernadelventil 80 nur dann öff net zum Gestatten von Brennstoffeinspritzung, wenn der Druck auf die schlie ßende Hydraulikoberfläche 81 relativ niedrig und der Brennstoffdruck oberhalb eines Ventilöffnungsdrucks ist, welcher ausreichend ist zur Überwindung der Vorspannfeder 83. Wenn der auf die schließende Hydraulikoberfläche 81 wir kende Betätigungsströmungsmitteldruck relativ hoch ist, bleibt das Direktsteu ernadelventil 80 entweder in der unteren geschlossenen Position oder bewegt sich dorthin, selbst wenn Brennstoffdrücke auf relativ hohen Einspritzpegeln sind. Die Ventilanordnung 30 steuert die Strömungsmittelverbindung des Steuerdruckdurchlasses 37 entweder zum Hochdruckeinlaß 12 hin oder zum Niedrigdruckabfluß 20 hin. Es sei daran erinnert, daß die schließende Hy draulikoberfläche dem Strömungsmitteldruck in dem Steuerdruckdurchlaß 37 ausgesetzt ist. Somit steuert die Ventilanordnung 30 den Zeitpunkt, zu dem Brennstoff innerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtung unter Druck gesetzt wird (Strömungsdurchlaß 34), und steuert auch den Zeitpunkt, zu dem Brenn stoffeinspritzung beginnt und endet, und zwar anhand des Drucks in dem Steuerdruckdurchlaß 37, der auf das Direktsteuernadelventil 80 wirkt.

Bezugnehmend insbesondere auf Fig. 2 umfaßt die Steuerventilanordnung 30 der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffeinspritzvorrichtung einen Ventilkörper 31, und zwar bestehend aus einer oder mehreren auf bekannte Weise anein ander befestigten Komponenten. Der elektrische Betätiger (Elektromagnet) 40 ist am Ventilkörper 31 befestigt und umfaßt eine stationäre Spule 41 und ei nen beweglichen Anker 42. Der Anker 42 ist an einem Pilotglied 45 befestigt, und beide sind durch eine Ankerfeder 43 nach unten vorgespannt. Ein Ende des Pilotglieds 45 ist eine Ventiloberfläche 49, die mit einem unteren koni schen Ventilsitz 74 in Kontakt steht und diesen schließt, wenn der Anker 42 und das Pilotglied 45 in ihrer unteren Position sind. Wenn der Elektromagnet 40 erregt wird, werden der Anker 42 und das Pilotglied 45 nach oben in eine Position angehoben, in der eine ringförmige Kante 48 den oberen Ventilsitz 73 schließt. Das Pilotglied 45 ist bezüglich seines Wegs nach oben durch einen Stiftanschlag 54 begrenzt, der mit der Unterseite der Elektromagnetabdec kung in Kontakt kommt, wenn der Anker und das Pilotglied in ihrer oberen Po sition sind. In dieser oberen Position ist der obere Ventilsitz 73 geschlossen, aber der untere Ventilsitz 74 ist offen, so daß der Steuerdruckdurchlaß 37 dem Niedrigdruckauslaß 36 ausgesetzt bzw. mit diesem verbunden ist. Das Pilotglied 45 umfaßt einen oberen Führungsteil 46, der gleitbar in einer Füh rungsbohrung 38 geführt ist, sowie einen unteren Führungsteil 47, der gleitbar in einer unteren Führungsbohrung 72 geführt ist. Um eine Strömungsmittel verbindung zwischen dem Bereich oberhalb und unterhalb des unteren Füh rungsteils 47 zu erleichtern, besitzt das Pilotglied 45 eine Vielzahl von daran eingearbeiteten Abflachungen. Jedoch wird der Fachmann erkennen, daß an dere Strömungsmittelverbindungsstrategien, wie beispielsweise ein interner Durchlaß, anstatt der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigten Ab flachungen verwendet werden könnten.

Die Position bzw. Lage des Pilotglieds 45 steuert nicht nur den Öldruck im Steuerdruckdurchlaß 37, welcher das Direktsteuernadelventil 80 steuert, son dern beeinflußt auch die Position eines Schieberventilglieds 60, das den Strömungsdurchlaß 34 zum Hochdruckdurchlaß 32 hin öffnet und schließt. Das Schieberventilglied 60 ist durch eine Vorspannfeder 59, die zwischen dem Schieberventilglied 60 und einem Pilotkörper 70 zusammengedrückt ist, normalerweise in eine obere Position vorgespannt. In dieser gezeigten oberen Position ist der Strömungsdurchlaß 34 zum Niedrigdruckdurchlaß 33 hin offen, und zwar an einem Ringraum 64 vorbei, der auf der Außenoberfläche des Schieberventilglieds 60 ausgearbeitet ist. Wenn sich das Schieberventilglied 60 zu seiner unteren Position in Kontakt mit einem Schieberheber 69 bewegt, bewegt sich der Ringraum 64 aus einer Strömungsmittelverbindung mit dem Strömungsdurchlaß 34, und zwar ungefähr zur gleichen Zeit wie eine Vielzahl radialer Durchlässe 65 den Hochdruckdurchlaß 32 mit dem Strömungsdurch laß 34 verbinden. Die radialen Durchlässe 65 halten das hohle Innere 62 des Schieberventilglieds 60 in ständiger Strömungsmittelverbindung mit dem Hochdruckdurchlaß 32. Das Schieberventilglied 60 wird zwischen seinen je weiligen Positionen bewegt unter der Wirkung der Vorspannfeder 59 und der jeweiligen Hydraulikkräfte, die auf eine Steuerhydraulikoberfläche 61 und eine entgegengesetzte Hydraulikoberfläche 63 wirken. Die gegenüberliegende Hy draulikoberfläche 63 ist vorzugsweise stets dem hohen Strömungsmitteldruck innerhalb des hohlen Inneren 62 ausgesetzt, und die Steuerhydraulikoberflä che ist vorzugsweise einem Steuervolumen 58 ausgesetzt, d. h. einem An fangsteil des Steuerdruckdurchlasses 37, der sich von dem Bereich zwischen den Sitzen 73 und 74 bis zur schließenden Hydraulikoberfläche 81 des Direkt steuernadelventils 80 hin erstreckt. In diesem bevorzugten Beispiel ist das Steuervolumen 58 definiert durch Teile des Pilotglieds 45, des Pilotkörpers 70, des Schieberhebers 69, des Ventilkörpers 31 und der Steuerhydrauliko berfläche 61 des Schieberventilglieds 60. Die Steuerhydraulikoberfläche 61 und die gegenüberliegende Hydraulikoberfläche 63 besitzen vorzugsweise ungefähr gleiche effektive Flächen, so daß das Schieberventilglied 60 in sei ner gezeigten oberen Position bleiben oder sich dorthin bewegen wird, wenn der obere Ventilsitz 73 offen ist, so daß Hochdruck im Steuervolumen 58 vor herrscht. Diese Hydraulikoberflächen sind so bemessen und die Stärke der Feder 59 ist so ausgewählt, daß sich das Schieberventilglied 60 zu seiner unteren Position hin bewegen oder dort bleiben wird, wenn der obere Ventil sitz 73 geschlossen ist, um das Steuervolumen 58 strömungsmittelmäßig mit dem Niedrigdruckauslaß 36 zu verbinden. Wenn das Schieberventilglied 60 in seiner unteren Position ist, hält eine in den Schieberheber 69 eingearbeitete Nut 67 eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Steuerdruckdurchlaß 37 und dem Bereich zwischen den Ventilsitzen 73 und 74 aufrecht.

Teilweise zur Verminderung der Teilezahl und zum Erhalten eines kompakten Designs liegen das Pilotglied 45, der Pilotkörper 70 und das Schieberventil glied 60 vorzugsweise auf einer gemeinsamen Mittellinie 55. Das Pilotglied 45 bewegt sich innerhalb des Pilotkörpers 70, welcher durch die kontinuierliche nach unten gerichtete Kraft, die von der Feder 59 vorgesehen wird, stationär gehalten wird. Der Pilotkörper 70 besitzt eine zylindrische Außenoberfläche 71, eine innere Führungsbohrung 72, einen oberen Kantenventilsitz 73 und einen unteren konischen Ventilsitz 74, die vorzugsweise während eines einzi gen Einspannvorgangs bearbeitet werden, um die Konzentrizität zwischen diesen Oberflächenmerkmalen aufrechtzuerhalten. Indem der obere Ventilsitz 73 ein Kantensitz ist, kann der Pilotkörper 70 zudem aus einem einzigen ein heitlichen Metallstück hergestellt werden, anstatt aus zwei oder mehr verbun denen Komponenten, wie es bei gegenüberliegenden konischen Sitzen erfor derlich wäre. Das Schieberventilglied 60 gleitet auf der Außenoberfläche 71 des Pilotkörpers 70. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der untere Führungsteil 47 des Pilotglieds 45 vorzugsweise geringfügig größer im Durchmesser als der obere Führungsteil 46, so daß selbiger zumindest ge ringfügig hydraulisch unausgeglichen ist zu einer unteren Position hin.

Wenn das Schieberventilglied 60 in seiner unteren Position ist, kommt ein we sentlicher Teil der Steuerhydraulikoberfläche 61 in Kontakt mit der Oberseite des Schieberhebers 69, was dazu neigt, einen Teil der Steuerhydraulikober fläche 61 von dem im Steuervolumen 58 existierenden Strömungsmitteldruck zu trennen. Diese Trennung eines Teils der Steuerhydraulikoberfläche 61 kann eine Verzögerung in der Aufwärtsbewegung des Schieberventilglieds 60 verursachen, wenn im Steuervolumen 58 erneut Hochdruck herrscht. Um die se Verzögerung zu verhindern, ist der Schieberheber 69 bearbeitet, so daß er eine Höhe besitzt, die ihm gestatten wird, sich über einen relativ kleinen Ab stand "d" nach oben zu bewegen, und er umfaßt eine Hubhydraulikoberfläche 68, die eine größere effektive Fläche besitzt als die gegenüberliegende Hy draulikoberfläche 63 des Schieberventilglieds 60. Die Bewegungsentfernung "d" des Schieberhebers 69 ist wesentlich kleiner als die Bewegungsdistanz "D" des Schieberventilglieds 60. Wenn das Schieberventilglied in seiner unte ren Position ist und im Steuervolumen 58 Hochdruck erneut auftritt, bewirkt die nach oben gerichtete Kraft, die auf die Hubhydraulikoberfläche 68 des Schieberhebers 69 wirkt, das der Schieberheber 69 und das Schieberventil glied 60 eine nach oben gerichtete Bewegung beginnen. Diese Aufwärtsbe wegung zusammen mit dem dadurch erzeugtem Moment bewirkt, daß das Schieberventilglied von dem Schieberheber 69 frei kommt, wenn dieser sich über seinen Abstand "d" nach oben bewegt hat, was bewirkt, daß der dann im Steuervolumen 58 herrschende Hochdruck auf die komplette Steuerhydraulik oberfläche 61 wirkt und die Aufwärtsbewegung des Schieberventilglieds 60 zu seiner gezeigten oberen Position hin fortsetzt.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Unmittelbar vor der Einleitung eines Einspritzereignisses ist der Elektroma gnet 40 abgeschaltet, das Pilotglied 45 ist in seiner unteren Position und schließt den Ventilsitz 74, das Schieberventilglied 60 ist in seiner oberen Po sition, das Pumpelement 24 ist in seiner oberen zurückgezogenen Position, und das Direktsteuernadelventil 80 ist in seiner unteren geschlossenen Positi on. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strömungsdurchlaß 34 zum Niedrigdruck durchlaß 33 hin offen, der Steuerdruckdurchlaß 37 ist offen zum Hochdruck durchlaß 32 über den Ventilsitz 73, das hohle Innere 62 und die radialen Durchlässe 65. Gleichzeitig ist der Brennstoffdruck in der Brennstoffeinspritz vorrichtung 10 relativ niedrig. Jedes Einspritzereignis wird eingeleitet durch Erregen des Elektromagneten 40, um das Pilotglied 45 nach oben anzuheben, um den Ventilsitz 73 zu schließen und den unteren Ventilsitz 74 zu öffnen. Wenn dies auftritt, werden das Steuervolumen 58 und der Steuerdruckdurch laß 37 zum Niedrigdruckauslaß 36 hin belüftet über den unteren Ventilsitz 74. Dies vermindert den Druck auf die schließende Hydraulikoberfläche 81 des Direktsteuernadelventils 80 und den Druck auf die Steuerhydraulikoberfläche 61 des Schieberventilglieds 60. Wenn dies geschieht, bleibt das Direktsteuer nadelventil 80 in seiner unteren Position unter der Wirkung seiner Vorspann feder 83, aber das Schieberventilglied 63 ist nun hydraulisch unausgeglichen und beginnt seine Abwärtsbewegung. Dies erfolgt, weil die Strömungsmittel druckkraft auf der gegenüberliegenden Hydraulikoberfläche 63 jetzt viel grö ßer ist als die kombinierte Niedrigdruckkraft auf der Steuerhydraulikoberfläche 61 und die von der Feder 59 vorgesehene Federkraft. Wenn sich das Schieber ventiiglied 60 nach unten bewegt, schließt es den Niedrigdruckdurchlaß 33 und öffnet den Strömungsdurchlaß 34 zum Hochdruckdurchlaß 32 hin. Wenn dies auftritt, strömt Hochdruckbetätigungsströmungsmittel in den Strömungs durchlaß 34 und wirkt auf die Hydraulikoberfläche 25, was bewirkt, daß das Pumpelement 24 seinen Abwärtshub beginnt, um den Brennstoffdruck in der Brennstoffdruckkammer 27 auf Einspritzpegel anzuheben.

Wenn der Brennstoffdruck in der Brennstoffdruckkammer 27 einen Ventilöff nungsdruck überschreitet, der ausreichend ist zum Überwinden der Feder 83, wird das Direktsteuernadelventil 80 angehoben und öffnet den Düsenauslaß 14, um das Einsprühen von Brennstoff in den Verbrennungsraum zu begin nen. Wenn es gewünscht ist, den anfänglichen Einspritzdruck über den nor malen Ventilöffnungsdruck hinaus zu erhöhen, kann der Elektromagnet 40 kurz abgeschaltet werden, um den Sitz 73 zu öffnen und den Ventilsitz 74 zu schließen. Wenn dies geschieht, herrscht im Steuerdruckdurchlaß 37 erneut Hochdruck und wirkt auf die schließende Hydraulikfläche 81 des Direktsteuer nadelventils 80, um dieses geschlossen zu halten. Gleichzeitig herrscht er neut Hochdruck im Steuervolumen 58, was bewirkt, daß das Schieberventil glied 60 seine Aufwärtsbewegung unter der Wirkung der Feder 59 beginnt. Vorzugsweise sind die verschiedenen Hydraulikoberflächen, Federstärken, Elektromagnetgeschwindigkeit, etc. derart, daß das Pilotglied 45 sich in seine obere Position bewegen kann, kurz an dieser Stelle bleibt und zurück in seine untere Position bewegt wird bevor das Schieberventilglied sich weit genug nach oben bewegen kann, um die Strömungsmittelverbindung zwischen dem Durchlaß 34 und dem Hochdruckdurchlaß 32 zu schließen. So kann jeder Anfangsteil eines Einspritzereignisses bezüglich seines Anfangseinspritz drucks gesteuert werden, und Teileinspritzungen können auf eine Weise durchgeführt werden, wie sie gründlicher in Bezug auf bekannte Direktsteuer nadelventile in zahlreichen Patenten von Caterpillar Inc. aus Peoria, Illinois beschrieben sind.

Während des Haupteinspritzereignisses bleibt der Elektromagnet 40 erregt, und das Pilotglied 45 bleibt in seiner oberen Position und schließt den Ventil sitz 73. Während des Haupteinspritzereignisses bleibt auch das Schieberven tilglied 60 in oder nahe seiner unteren Position und hält eine Verbindung zwi schen dem Hochdruckdurchlaß 32 und dem Strömungsdurchlaß 34 aufrecht. Kurz bevor die gewünschte Brennstoffmenge eingespritzt worden ist, wird der Elektromagnet 40 abgeschaltet. Dies gestattet, daß sich das Pilotglied 45 nach unten bewegt, um den Ventilsitz 73 erneut zu öffnen und den Ventilsitz 74 zu schließen. Dadurch herrscht im Steuerdruckdurchlaß 37 erneut Hoch druck, der bewirkt, daß sich das Direktsteuernadelventil 80 schnell nach unten bewegt, um den Düsenauslaß 14 zu schließen und das Einspritzereignis zu beenden. Gleichzeitig beginnt das Schieberventilglied 60, sich unter der Wir kung des Schieberhebers 69 und der Vorspannfeder 59 nach oben zu bewe gen. Während das Schieberventilglied 60 seine Aufwärtsbewegung fortsetzt, kommt es frei aus seinem Kontakt mit dem Schieberheber 69 und bewegt sich schließlich in eine Zwischenposition, in der der Strömungsdurchlaß 34 vom Hochdruckdurchlaß 32 getrennt wird, aber über den Ringraum 64 wieder mit dem Niedrigdruckdurchlaß 33 verbunden wird. Wenn dies auftritt, wird der Betätigungsströmungsmitteldruck abgebaut bzw. abgelassen, der auf die Hy draulikoberfläche 25 des Pumpelements 24 wirkt. Das Pumpelement 24 zieht sich dann unter der Wirkung seiner Vorspannfeder zurück, um das ver brauchte Betätigungsströmungsmittel in den Niedrigdruckdurchlaß 33 und zum Abfluß 20 für eine schließliche Rezirkulation zu bewegen. Gleichzeitig wird frischer Niedrigdruckbrennstoff in die Brennstoffdruckkammer 27 gezo gen, und zwar am Rückschlagventil 29 vorbei. Dieser vollständige Prozeß wiederholt sich für jeden Einspritzzyklus.

Es sei bemerkt, daß die obige Beschreibung nur für Veranschaulichungs zwecke gedacht ist und den Umfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränken soll. Beispielsweise wurde die Ventilanordnung der vor liegenden Erfindung so gezeigt, daß vorzugsweise ein Ende des Schieber ventilglieds stets dem Hochdruckströmungsmittel ausgesetzt ist, aber ein Fachmann wird erkennen, daß die Ventilanordnung funktionieren könnte, in dem immer ein Ende des Schieberventilglieds dem niedrigen Druck ausge setzt ist und entsprechende Anpassungen hinsichtlich Federstärken und Ver bindungen bzw. Leitungen gemacht würden. Ferner könnten das Schieber ventilglied und/oder das Pilotglied bearbeitet sein, so daß sie hydraulische Unausgeglichenheiten umfassen, die die Funktionsweise der Ventilanordnung ändern könnten, um irgendwelche bestimmten Ziele zu erreichen. Schließlich wurden die verschiedenen Oberflächen, Federstärken, Elektromagnetge schwindigkeiten, etc. so gezeigt, daß sie vorzugsweise gestatten, daß sich das Pilotglied schnell zwischen seinen oberen und unteren Positionen bewe gen kann, und zwar wesentlich schneller als sich das Schieberventilglied zwi schen seiner oberen und unteren Position bewegen kann, um die Bewegung des Direktsteuernadelventils während des Anfangsteils und am Ende eines Einspritzereignisses zu steuern. Der Fachmann wird erkennen, das andere Einstellungen der Federstärken, Elektromagnetgeschwindigkeiten, Massenei genschaften, etc. vorgenommen werden könnten, um andere gewünschte Er gebnisse zu erreichen, als diejenigen, die mit Bezug auf das bevorzugte Aus führungsbeispiel beschrieben wurden. Somit wird der Fachmann erkennen, daß verschiedene Modifikationen am offenbarten Ausführungsbeispiel durch geführt werden könnten, ohne vom beabsichtigen Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der nur durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung mit:
einem Ventilkörper, der einen ersten Durchlaß, einen zweiten Durchlaß und einen Strömungsdurchlaß definiert;
einem einheitlichen Pilotkörper, welcher mindestens teilweise in dem Ventilkörper angeordnet ist und einen ersten Ventilsitz und einen zweiten Ventilsitz besitzt;
einem Pilotglied, das in dem Pilotkörper beweglich ist zwischen einer oberen Position, in der das Pilotglied den ersten Ventilsitz schließt, und einer unteren Position, in der das Pilotglied den zweiten Ventilsitz schließt;
einem Schieberventilglied, das eine Steuerhydraulikoberfläche besitzt, und in dem Ventilkörper angeordnet ist und beweglich ist zwi schen einer ersten Position, in der der erste Durchlaß zum Strömungs durchlaß offen ist, und einer zweiten Position, in der der zweite Durch laß zu dem Strömungsdurchlaß hin offen ist;
wobei mindestens ein Element aus dem Ventilkörper, dem Pilot körper, dem Pilotglied und dem Schieberventilglied ein Steuervolumen definiert, das strömungsmittelmäßig mit dem ersten Durchlaß verbun den ist, wenn das Pilotglied entweder in der oberen Position oder in der unteren Position ist; und
wobei die Steuerhydraulikoberfläche dem Strömungsmitteldruck in dem Steuervolumen ausgesetzt ist.

2. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das Schieberventilglied auf einer Außenoberfläche des Pilotkörpers gleitet, wenn es sich zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt.

3. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung ferner einen elektrischen Betätiger aufweist, welcher einen beweglichen Teil besitzt, der an dem Pilotglied befestigt ist.

4. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung ferner eine Feder aufweist, die zwischen dem Pilotkörper und dem Schieberventilglied zusammengedrückt ist.

5. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das Schieberventilglied eine gegenüberliegende Hydraulikoberfläche um faßt, die entgegengesetzt zu der Steuerhydraulikoberfläche orientiert ist und stets dem Strömungsmitteldruck in dem ersten Durchlaß oder dem zweiten Durchlaß ausgesetzt ist.

6. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung ferner einen Schieberheber aufweist, der in dem Ventilkör per angeordnet ist und in Kontakt mit dem Schieberventilglied steht, wenn das Schieberventilglied in der ersten Position ist; und
wobei der Schieberheber das Schieberventilglied um einen Hu babstand bewegt, der ein Teil einer Entfernung ist, über die sich das Schieberventilglied zwischen der ersten Position und der zweiten Posi tion bewegt.

7. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das Schieberventilglied, das Pilotglied und der Pilotkörper auf einer gemein samen Mittellinie liegen.

8. Pilotbetätigte Schieberventilanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung ferner einen elektrischen Betätiger aufweist mit einem be weglichen Teil, der an dem Pilotglied befestigt ist;
wobei das Schieberventilglied auf einer Außenoberfläche des Pi lotkörpers gleitet, wenn es sich zwischen der ersten und der zweiten Position bewegt;
wobei das Schieberventilglied, das Pilotglied und der Pilotkörper auf einer gemeinsamen Mittellinie liegen; und
wobei das Schieberventilglied eine entgegengesetzte Hydrauliko berfläche umfaßt, die entgegengesetzt zu der Steuerhydraulikoberflä che orientiert ist und stets dem Strömungsmitteldruck in dem ersten Durchlaß oder in dem zweiten Durchlaß ausgesetzt ist.

9. Hydraulischer Betätiger mit:
einem Ventilkörper, der einen Hochdruckdurchlaß, einen Niedrig druckduchlaß und einen Strömungsdurchlaß definiert;
einer Quelle von Hochdruckströmungsmittel, die mit dem Hoch druckdurchlaß verbunden ist;
einem Niedrigdruckreservoir, das mit dem Niedrigdruckdurchlaß verbunden ist;
einem elektrischen Betätiger, der an dem Ventilkörper befestigt ist und einen beweglichen Teil besitzt;
einem Pilotglied, das an dem beweglichen Teil des elektrischen Betätigers befestigt ist und beweglich ist zwischen einer oberen Positi on und einer unteren Position;
einem Schieberventilglied, das in dem Ventilkörper angeordnet ist und das Pilotglied zumindest teilweise umgibt und beweglich ist zwi schen einer ersten Position, in der der Hochdruckdurchlaß zum Strö mungsdurchlaß hin offen ist, und einer zweiten Position, in der der Niedrigdruckdurchlaß zu dem Strömungsdurchlaß hin offen ist, und wo bei das Schieberventilglied eine Steuerhydraulikoberfläche besitzt, die dem Strömungsmitteldruck in dem Hochdruckdurchlaß ausgesetzt ist, wenn das Pilotglied in der oberen Position oder in der unteren Position ist.

10. Hydraulischer Betätiger gemäß Anspruch 9, wobei der Betätiger ferner einen einheitlichen Pilotkörper aufweist, der mindestens teilweise in dem Ventilkörper angeordnet ist und einen ersten Ventilsitz und einen zweiten Ventilsitz aufweist;
wobei das Pilotglied sich in dem Pilotkörper bewegt und in der oberen Position den ersten Ventilsitz schließt und in der unteren Posi tion den zweiten Ventilsitz schließt.

11. Hydraulischer Betätiger gemäß Anspruch 10, wobei der Betätiger ferner eine Feder aufweist, die zwischen dem Pilotkörper und dem Schieber ventilglied zusammengedrückt ist.

12. Hydraulischer Betätiger gemäß Anspruch 11, wobei das Schieberventil glied eine entgegengesetzte Hydraulikoberfläche umfaßt, die entgegen gesetzt zu der Steuerhydraulikoberfäche orientiert ist und stets dem Strömungsmitteldruck in dem Hochdruckdurchlaß oder in dem Niedrig druckdurchlaß ausgesetzt ist.

13. Hydraulischer Betätiger gemäß Anspruch 12, wobei das Schieberventil glied auf einer Außenoberfläche des Pilotkörpers gleitet, wenn es sich zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt.

14. Hydraulischer Betätiger gemäß Anspruch 13, wobei der Betätiger ferner einen Schieberheber aufweist, der in dem Ventilkörper angeordnet ist und mit dem Schieberventilglied in Kontakt steht, wenn das Schieber ventilglied in der ersten Position ist; und
wobei der Schieberheber in der Lage ist, das Schieberventilglied um einen Hubabstand zu bewegen, der ein Teil einer Entfernung ist, über die sich das Schieberventilglied zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt.

15. Hydraulischer Betätiger gemäß Anspruch 14, wobei der Ventilkörper einen Niedrigdruckauslaß definiert; und
wobei die Steuerhydraulikoberfläche dem Strömungsmitteldruck in dem Niedrigdruckauslaß ausgesetzt ist, wenn das Pilotglied in der anderen Position, das heißt der oberen Position bzw. der unteren Posi tion, ist.

16. Brennstoffeinspritzvorrichtung mit:
einem Einspritzvorrichtungskörper, der einen Betätigungsströ mungsmitteleinlaß, einen Betätigungsströmungsmittelabfluß, einen Be tätigungsströmungsdurchlaß und einen Düsenauslaß definiert;
einer Quelle von Hochdruckströmungsmittel, die mit dem Betät gungsströmungsmitteleinlaß verbunden ist;
einem Niedrigdruckreservoir, das mit dem Betätigungsströ mungsmittelabfluß verbunden ist;
einem Pumpelement, daß in dem Einspritzvorrichtungskörper an geordnet ist und eine Hydraulikoberfläche besitzt, die dem Strömungs mitteldruck in dem Betätigungsströmungsdurchlaß ausgesetzt ist;
einem elektrischen Betätiger, der an dem Einspritzvorrichtungs körper befestigt ist und einen beweglichen Teil umfaßt; und
einer Steuerventilanordnung, die in dem Einspritzvorrichtungs körper angeordnet ist und ein Pilotglied umfaßt, daß an dem bewegli chen Teil befestigt ist und in einem Pilotkörper mit beabstandeten Ven tilsitzen beweglich ist, sowie ein Schieberventilglied aufweist, das auf einer Außenoberfläche des Pilotkörpers gleitbar ist zwischen einer er sten Position, in der der Betätigungsströmungsdurchlaß zu dem Betäti gungsströmungsmitteleinlaß hin offen ist, und einer zweiten Position, in der der Betätigungsströmungsdurchlaß zu dem Betätigungsströmungs mittelabfluß hin offen ist.

17. Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Ein spritzvorrichtungskörper einen Brennstoffeinlaß definiert, der mit einer Quelle von Brennstoff verbunden ist, welcher unterschiedlich ist von dem Betätigungsströmungsmittel.

18. Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Vorrich tung ferner ein Direktsteuernadelventil aufweist, das eine schließende Hydraulikoberfläche besitzt und beweglich ist zwischen einer geschlos senen Position, in der der Düsenauslaß blockiert ist, und einer offenen Position, in der Düsenauslaß offen ist;
wobei das Schieberventilglied, der Pilotkörper und der Einspritz vorrichtungskörper Teile eines Drucksteuerdurchlasses definieren, wel cher sich von den beabstandeten Ventilsitzen zu der schließenden Hy draulikoberfläche hin erstreckt.

19. Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei das Schie berventilglied eine Steuerhydraulikoberfläche umfaßt, die dem Strö mungsmitteldruck in dem Drucksteuerdurchlaß ausgesetzt ist, sowie ei ne entgegengesetzte Hydraulikoberfläche aufweist, die stets dem Strö mungsmitteldruck in dem Betätigungsströmungsmitteleinlaß oder in dem Betätigungsströmungsmittelabfluß ausgesetzt ist.

20. Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei die Vorrich tung ferner eine Feder aufweist, die zwischen dem Pilotkörper und dem Schieberventilglied zusammengedrückt ist;
wobei ein Teil des Pilotglieds konzentrisch innerhalb des Pilot körpers angeordnet ist, und wobei ein Teil des Pilotkörpers konzen trisch innerhalb des Schieberventilglieds angeordnet ist.