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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein elektromagnetisch betätigtes Durchflußsteuerventil – auch kurz
Steuerventil genannt – für ein Kraftstoffsystem gerichtet.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein derartiges Steuerventil
mit Ankerüberhub
gerichtet.
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Elektromagnetisch
betätigte
Steuerventile werden in Kraftstoffeinspritzdüsen und Zeitsteuerungsfluid-/Kraftstoffeinspritz-Dosierungssystemen für die genaue
Zeitsteuerung und Steuerung der Dosierung des eingespritzten Kraftstoffs
und von Zeitsteuerungsfluid umfangreich verwendet. Eine genaue Zeitsteuerung
und Steuerung der Dosierung von Kraftstoff sowie von Zeitsteuerungsfluid
ist erforderlich, um einen maximalen Wirkungsgrad des Kraftstoffsystems
eines Verbrennungsmotors zu erzielen. Dies erfordert, daß Ventilkonstrukteure
diese Leistungsanforderungen bei ihren Entwürfen berücksichtigen. Außerdem versuchen
Ventilkonstrukteure ständig,
die Größe der Steuerventile
zu verringern, um die Gesamtgröße und das
Gesamtgewicht des Motors zu verringern und zu ermöglichen,
daß die Steuerventile
leicht an einer Vielzahl von Stellen am Motor montiert werden, ohne
Einbau- oder Packungseinschränkungen
zu überschreiten.
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Eine
weitere Sorge von Ventilkonstrukteuren ist der Ventilsitzverschleiß und die
Ventilprellung. Steuerventile werden häufig durch eine Aktuator- bzw. Stellgliedanordnung
vom Magnetspulentyp betätigt.
Die Reaktionszeit des Steuerventils wurde durch Verbessern der Deaktivierungsreaktionszeit des
Stellgliedes verringert. Infolge dessen wird jedoch die Schließgeschwindigkeit
des Ventils erhöht, was
zu erhöhten
Aufprallkräften
am Ventilsitz führt. Diese
hohen Aufprallkräfte
des Ventils gegen einen Ventilsitz verursachen übermäßige Sitzbeanspruchungen, ein
Ventilsitzschlagen und übermäßigen Verschleiß. Wenn
das Ventil auf den Ventilsitz mit hoher Geschwindigkeit aufprallt,
prallt das Ventil überdies
gewöhnlich
vom Sitz ab, was sich auf die Steuerung des Fluiddurchflusses nachteilig
auswirkt und zusätzlichen
Ventilsitzverschleiß verursacht.
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Die
US 6,056,264 offenbart ein
elektromagnetisch betätigtes
Steuerventil, das einen Ventilkolben, ein Magnetspulen-Stellglied
mit einer Spule und einem Anker und ein Ankerüberhubmerkmal, das eine fortgesetzte
Bewegung des Ankers relativ zum Ventilkolben von einer Eingriffsposition
in eine gelöste
Position ermöglicht,
wenn der Ventilkolben eine geschlossene Position erreicht, umfaßt. Das
Ankerhubmerkmal umfaßt
eine Uberhubvorspannfeder zum Zurückführen des Ankers aus der gelösten Position
in die Eingriffsposition vor der anschließenden Speisung der Stellgliedspule.
Folglich minimiert das Überhubmerkmal
die Masse, die auf den Ventilsitz aufprallt, wodurch die Ventilsitzlebensdauer
verlängert
wird, während
eine verlorene Bewegung im Anker während des nächsten Betätigungszyklus vermieden wird,
um dadurch die Ventilreaktionszeit zu minimieren. Die Druckschrift
offenbart auch die Verwendung eines Ankeranschlags und eines Fluidfilms, der
das Ausmaß an Überhub begrenzt.
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Somit
schafft die
US 6,056,264 ein
signifikant verbessertes elektromagnetisch betätigtes Durchflußsteuerventil,
das die Beanspruchung am Ventilsitz verringert. Eine Einschränkung besteht
jedoch darin, daß eine
Schwankung des Ausmaßes
an Überhub
durch die Ankeranordnung besteht. Dies kann sich auf die Leistung
des Steuerventils negativ auswirken. Außerdem wurde festgestellt,
daß ein
signifikanter sekundärer
Aufprall auftritt, wie nachstehend genauer beschrieben, der sich
auch auf die Leistung des elektromagnetisch betätigten Steuerventils negativ
auswirken kann.
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Die
US 6,510,841 B1 offenbart
eine Kraftstoffeinspritzdüse,
die einen zweiteiligen Anker verwendet, der den sekundären Aufprall
verringern und ein unerwünschtes
sekundäres
kurzzeitiges Öffnen der
Kraftstoffeinspritzdüse
verhindern kann. Dieses Dokument offenbart jedoch keine Kraftstoffeinspritzdüse, bei
der die Ankeranordnung von der Ventilnadel oder vom Ventilkolben
abgekoppelt ist. Somit offenbart dieses Dokument keinen Überhub durch
die Ankeranordnung, um eine hohe Stellgliedsitzbeanspruchung zu
verhindern.
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Folglich
besteht ein Bedarf an einem kompakten, kostengünstigen Durchflußsteuerventil,
das einen Überhub
durch die Ankeranordnung ermöglicht,
aber die Einschränkungen
von Steuerventilen des Standes der Technik vermeidet, insbesondere den
sekundären
Aufprall minimiert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines
elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils,
das eine genaue Dosierung und Zeitsteuerung von Kraftstoff ermöglicht,
insbesondere das die Schwankung im Ausmaß des Überhubs minimiert und/oder
das den sekundären
Aufprall verringert, um die Dichtungstoleranz und/oder den maximalen
Systembetriebsdruck beizubehalten.
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Die
obige Aufgabe wird durch ein Durchflußsteuerventil gemäß Anspruch
1 oder 17 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wie
oben erwähnt,
wurde eine Einschränkung
bei dem elektromagnetisch betätigten
Durchflußsteuerventil
gemäß der
US 6,056,246 . insofern festgestellt,
als eine Schwankung im Ausmaß des Überhubs
durch die Ankeranordnung besteht. Eine solche Schwankung im Überhub wirkt
sich auf die Reaktionszeit des Durchflußsteuerventils negativ aus und
verringert die Genauigkeit der Dosierung und der Zeitsteuerung des
Kraftstoffs. Außerdem
wurde festgestellt, daß ein
signifikanter sekundärer
Aufprall auftritt, wenn sich die Ankeranordnung zurück bewegt, nachdem
der Überhub
beendet ist bzw. der maximale Überhub
erreicht wurde. Während
des sekundären Aufpralls
der Ankeranordnung wird die Last am Ventilsitz verringert, wodurch
die Dichtungstoleranz zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz verringert
wird und folglich der maximale Systembetriebsdruck begrenzt wird.
Außerdem
wurde auch festgestellt, daß sich
der sekundäre
Aufprall auf die Kraftstoffdosierung negativ auswirkt und im Szenario
des schlimmsten Falls auch eine sekundäre Einspritzung verursacht.
Diese Nachteile bzw. Probleme werden erfindungsgemäß vermieden
oder verringert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Durchflußsteuerventil auf ein Gehäuse mit
einem Kraftstoffdurchgang, eine Ventileinrichtung, die beweglich
ist, um den Kraftstoffdurchgang zu schließen, um den Kraftstoffdurchfluß durch
den Kraftstoffdurchgang zu sperren, und beweglich ist, um den Kraftstoffdurchgang
zu öffnen, um
den Kraftstoffdurchfluß durch
den Kraftstoffdurchgang zu gestatten, einen Ventilkolben, der mit
der Ventileinrichtung in Eingriff steht, wobei der Ventilkolben
dazu ausgelegt ist, sich zwischen einer ausgefahrenen Position,
in der die Ventileinrichtung in die geschlossene Position bewegt
wird, und einer zurückgezogenen
Position, in der die Ventileinrichtung in die offene Position bewegt
wird, hin und her zu bewegen, ein Stellgliedmittel zum Hin- und Herbewegen
des Ventilkolbens, wobei das Stellgliedmittel eine Magnetspulenanordnung
mit einer Spule, die gespeist werden kann, um den Ventilkolben in
die zurückgezogene
Position zu bewegen, und einen Anker, der mit dem Ventilkolben zur
Bewegung mit dem Ventilkolben in Richtung der ausgefahrenen Position verbunden
ist, umfaßt,
ein Ankerüberhubmittel
zum Gestatten einer fortgesetzten Bewegung des Ankers relativ zum
Ventilkolben von einer Eingriffsposition in eine gelöste Position,
wenn der Ventilkolben die ausgefahrene Position erreicht, wobei
das Ankerüberhubmittel
ein Überhubvorspannmittel
zum Zurückführen des
Ankers von der gelösten
Position in die Eingriffsposition vor der anschließenden Speisung
der Spule umfaßt,
und ein Ankeranschlagmittel zum Stoppen bzw. Begrenzen des Überhubs
des Ankers.
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Gemäß einer
Implementierung ist ein Ventilsitz am Gehäuse für einen Dichtungseingriff mit
der Ventileinrichtung ausgebildet, wobei das Überhubvorspannmittel axial
zwischen dem Ventilsitz und dem Anker angeordnet ist. Das Überhubvorspannmittel
umfaßt
eine Überhubvorspannfeder,
die sich in einer Ausführungsform
um den Ventilkolben erstreckt. Eine Ankerhülse kann vorgesehen sein, die zumindest
einen Teil des Ventilkolbens umgibt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Ventileinrichtung
ein Kugelventil und eine Ventilführung
sowie einen Halter, der zumindest einen Teil des Ventilkolbens umschreibt
und am Anker anliegt. Ein Ende der Überhubvorspannfeder liegt am Halter
an, während
ein anderes Ende der Überhubvorspannfeder
an der Ventilführung
der Ventileinrichtung anliegt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform
umfaßt
das Gehäuse
des Durchflußsteuerventils
einen Aussparungshohlraum zum Aufnehmen des Ankers, wobei der Aussparungshohlraum
eine innere Bodenfläche
umfaßt,
wobei das andere Ende der Überhubvorspannfeder
an der inneren Bodenfläche
des Aussparungshohlraums anliegt.
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Gemäß einer
weiteren Implementierung der vorliegenden Erfindung umfaßt das Ankeranschlagmittel
des Durchflußsteuerventils
einen Fluidfilmspalt, der der Überhubbewegung
des Ankers durch Fluid Widerstand leistet, wobei der Widerstand
gegen die Überhubbewegung
des Ankers zumindest teilweise durch die Abmessung des Fluidfilmspalts bestimmt
ist. Der Fluidfilmspalt kann zwischen dem Halter und der Ventilführung angeordnet
sein. In einer weiteren Ausführungsform
kann der Halter ein oberes Stück,
das am Anker anliegt, und ein unteres Stück, das an einem Ende des Ventilkolbens
befestigt ist, umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Fluidfilmspalt
zwischen dem oberen Stück und
dem unteren Stück
des Halters angeordnet sein und die Überhubvorspannfeder auch zwischen
dem oberen Stück
und dem unteren Stück
des Halters angeordnet sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Durchflußsteuerventil ferner
eine Federscheibe und/oder eine Magnetspulen-Abstandhalterumfassen, die dazu ausgelegt
sind, einen Hubabstand, um den der Anker bewegt wird, wenn die Magnetspulenanordnung
gespeist wird, um den Ventilkolben zurückzuziehen, zu steuern.
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Gemäß einer
nochmals weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Durchflußsteuerventil zum Steuern des
Durchflusses von Kraftstoff in einem Kraftstoffsystem vorgeschlagen,
das aufweist ein Ankergehäuse
mit einem Kraftstoffdurchgang, eine Ventileinrichtung mit einem
Kugelventil und einer Ventilführung,
wobei die Ventileinrichtung beweglich ist, um den Kraftstoffdurchgang zu
schließen
und den Kraftstoffdurchgang zu öffnen, einen
Ventilkolben, der mit der Ventileinrichtung in Eingriff steht, wobei
der Ventilkolben dazu ausgelegt ist, sich zwischen einer ausgefahrenen
Position und einer zurückgezogenen
Position hin und her zu bewegen, eine Magnetspulenanordnung, die
betätigt werden
kann, um den Ventilkolben in die zurückgezogene Position zu bewegen,
wobei die Magnetspulenanordnung einen Anker umfaßt, der mit dem Ventilkolben
zur Bewegung mit dem Ventilkolben in Richtung der ausgefahrenen
Position verbunden ist, wobei der Anker ferner dazu ausgelegt ist,
sich vom Ventilkolben zu lösen
und relativ zum Ventilkolben einen Überhub durchzuführen, einen
Halter, der zumindest einen Teil des Ventilkolbens umschreibt und
am Anker anliegt, eine Überhubvorspannfeder,
die sich um den Ventilkolben erstreckt und dazu ausgelegt ist, den
Anker von der gelösten
Position in die Eingriffsposition zurückzubringen, und einen Fluidfilmspalt, der
einer Überhubbewegung
des Ankers durch Fluid Widerstand leistet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfaßt
das Gehäuse
des Durchflußsteuerventils
einen Aussparungshohlraum mit einer inneren Bodenfläche und
die Enden der Überhubvorspannfeder
liegen an der inneren Bodenfläche
und am Halter an, um dadurch eine Rückstellkraft auf den Anker
auszuüben,
wobei der Fluidfilmspalt zwischen dem Halter und der Ventilführung angeordnet
ist.
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In
einer nochmals weiteren Ausführungsform liegen
die Enden der Überhubvorspannfeder
des Durchflußsteuerventils
am Halter und an der Ventilführung
an, um dadurch eine Rückstellkraft
auf den Anker auszuüben,
wobei der Fluidfilmspalt zwischen dem Halter und der Ventilführung angeordnet
ist.
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In
einer nochmals weiteren Ausführungsform umfaßt der Halter
des Durchflußsteuerventils
ein oberes Stück,
das am Anker anliegt, und ein unteres Stück, das an einem Ende des Ventilkolbens
befestigt ist, wobei die Enden der Überhubvorspannfeder am oberen
Stück und
am unteren Stück
des Halters anliegen und der Fluidfilmspalt zwischen dem oberen Stück und dem
unteren Stück
des Halters angeordnet ist.
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung besser ersichtlich, wenn sie in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1B ist
eine Schnittansicht des elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils
von 1A.
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1C ist
eine vergrößerte Schnittansicht eines
Abschnitts des in 1B gezeigten elektromagnetisch
betätigten
Durchflußsteuerventils,
die das Überhubsmerkmal
der vorliegenden Erfindung deutlicher darstellt.
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2 ist
ein Diagramm, das den Ankerüberhub
und das Wiederöff nungsprellen
zeigt, was durch den sekundären
Aufprall des Ankers in einem herkömmlichen elektromagnetisch
betätigten
Durchflußsteuerventil
mit einem Ankerüberhubmerkmal
verursacht wird.
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3 ist
ein Diagramm, das die Schwankung des Ankerüberhub in einem herkömmlichen elektromagnetisch
betätigten
Durchflußsteuerventil zeigt.
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4 ist
ein Diagramm, das den Ankerüberhub
und das Wiederöffnungsprellen
zeigt, was durch den sekundären
Aufprall des Ankers in dem elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventil
von 1A verursacht wird.
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5 ist
ein Diagramm, das die Schwankung der Ankerüberschreitung in dem elektromagnetisch
betätigten
Durchflußsteuerventil
von 1A zeigt.
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6 ist
eine Schnittansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine Schnittansicht des elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils
gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1A stellt
eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, das verschiedene Vorteile gegenüber Durchflußsteuerventilen
des Standes der Technik bereitstellt. Wie erläutert wird, minimiert das elektromagnetisch
betätigte
Durchflußsteuerventil 10 die
Schwankung des Ausmaßes
des Überhubs
durch den Anker. Dies erhöht
die Genauigkeit bei der Dosierung und Zeitsteuerung des Kraftstoffs,
der durch das Durchflußsteuerventil 10 geliefert
bzw. gesteuert wird, beispielsweise des Durchflusses von Kraftstoff durch
ein Kraftstoffeinspritzsystem in einem Verbrennungsmotor. Wie auch
nachstehend beschrieben, verringert das Durchflußsteuerventil 10 ferner
den sekundären
Aufprall, der durch den zu rückkehrenden Anker
verursacht wird, im Vergleich zu Durchflußsteuerventilen des Standes
der Technik. Dies ermöglicht,
daß die
Dichtungstoleranz bzw. eine hohe Schließwirkung oder -kraft aufrechterhalten
wird, so daß der
maximale Systembetriebsdruck nicht verringert wird.
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Das
elektromagnetisch betätigte
Durchflußsteuerventil
10 ist
mit einem Ankerüberhubmerkmal versehen,
wie allgemein in der
US 6,056264 erläutert, die
hiermit als ergänzende
Offenbarung insbesondere hinsichtlich des Überhubs eingeführt wird. Insbesondere,
wie am deutlichten in den Schnittsansichten von
1B und
1C gezeigt,
umfaßt
das Durchflußsteuerventil
10 vorzugsweise
ein Ventilgehäuse
12,
einen Ventilkolben
14, der für eine Hin- und Herbewegung im Ventilgehäuse
12 angebracht
ist, eine Ventilstellgliedanordnung
16 zum selektiven Bewegen
des Ventilkolbens
14 zwischen einer ausgefahrenen und einer
zurückgezogenen
Position und ein Ankerüberhubmerkmal,
das generell mit
18 bezeichnet ist.
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Das
Ventilgehäuse 12 umfaßt einen
oberen Abschnitt 20, der einen Hohlraum 22 enthält, und
ein unteres Ankergehäuse 24,
das in einer Druckanlage an einer unteren Oberfläche des oberen Abschnitts 20 angebracht
ist. Der obere Abschnitt 20 kann Kraftstoffdurchgänge 26,
die sich radial durch diesen erstrecken, zur Verbindung mit jeweiligen
Kraftstoffdurchgängen
zum Liefern von Kraftstoff beispielsweise von einer Kraftstoffablaßquelle
zu einem Einspritzdüsenkörper und
einer Düsenanordnung
(nicht dargestellt), die benachbart zum Ankergehäuse 24 angebracht
ist bzw. sind, umfassen. In dieser Hinsicht wird das Durchflußsteuerventil 10 vorzugsweise
in einem Kraftstoffsystem verwendet und ist in der bevorzugten Ausführungsform
der 1A bis 1C leicht
im oberen Abschnitt einer Kraftstoffeinspritzdüse (nicht dargestellt) positionierbar.
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Die
Ventilstellgliedanordnung 16 umfaßt eine Magnetspulenanordnung 30 mit
einer Spule 32, die an einer Trommel 34 montiert
ist und sich um eine Statoranordnung 36 erstreckt. Die
Magnetspulenanordnung 30 ist im Hohlraum 22 angeordnet
und vorzugsweise durch einen metallischen Statorkörper 38 sicher
am oberen Abschnitt 20 des Ventilgehäuses 12 befestigt.
Der Ventilkolben 14 ist für eine Hin- und Herbewegung
in einer Öffnung
angebracht, die sich durch den Statorkörper 38 erstreckt.
Ein Federhalter und eine Anschlagvorrichtung 40 ist an
einem äußeren Ende
des Ventilkolbens 14 zum Aufnehmen einer Vorspannfeder 42 zum
Vorspannen des Ventilkolbens 14 nach unten, wie in 1B gezeigt,
montiert.
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Die
Ventilstellgliedanordnung
16 umfaßt einen Aussparungshohlraum
46,
der in Richtung der Spule
32 und Statoranordnung
36 offen
ist und den Anker
54, die Tellerfeder
55, den
Magnetspulen-Abstandhalter
57 und Komponenten des Überschreitungsmerkmals
18 aufnimmt.
Der Ventilkolben
14 erstreckt sich durch den Aussparungshohlraum
46.
Im Gegensatz zu dem in der
US
6,056,264 offenbarten Durchflußsteuerventil, bei dem der
Kolben zum direkten Abdichten mit einem Ventilsitz diente, ist das Durchflußsteuerventil
10 der
vorliegenden Erfindung mit einer separaten Ventileinrichtung versehen.
Insbesondere ist die Ventileinrichtung in der dargestellten Ausführungsform
als Ventilführung
47 implementiert,
die mit einem Kugelventil
48 in Eingriff steht, wobei der
Kolben
14 an der Ventilführung
47 anliegt. Das
Kugelventil
4S dichtet entlang des Ventilsitzes
50 ab,
der im Ankergehäuse
24 ausgebildet
ist, und ist beweglich, um den Kraftstoffdurchgang
52 zu öffnen oder
zu schließen,
der im Ankergehäuse
24 ausgebildet
ist. In anderen Implementierungen der vorliegenden Erfindung kann
natürlich
eine andere Ventileinrichtung anstelle des Kugelventils
48 und
der Ventilführung
47,
die gezeigt sind, verwendet werden. Eine speziell gestaltete Ventilführung kann
beispielsweise bereitgestellt werden, die direkt am Ventilsitz
50 sitzt,
um den Fluiddurchfluss durch den Kraftstoffdurchgang
52 zu
steuern.
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Wie
zu sehen ist, sperrt die Positionierung des Ventilkolbens 14 in
der ausgefahrenen Position, wie in 1C der
dargestellten Ausführungsform
gezeigt, den Kraftstoffdurchfluß durch
den Kraftstoffdurchgang 52 über das Kugelventil 48.
Der Anker 54 ist am Ventilkolben 14 zum Verschieben
des Ventilkolbens 14 zwischen der zurückgezogenen und der ausgefahrenen
Position angebracht. Insbesondere erzeugt die Speisung der Spule 32 eine
Anziehungskraft zwischen der Statoranordnung 36 und dem
Anker 54, was bewirkt, daß sich der Anker 54 in
Richtung der Statoranordnung 36 bewegt, wodurch der Ventilkolben 14 angehoben
wird, um zu ermöglichen, daß sich das
Kugelventil 48 vom Ventilsitz 50 in eine offene
Position abhebt, so daß der
Kraftstoff durch den Kraftstoffdurchgang 52 strömen kann.
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Das
Ankerüberhubmerkmal 18 umfaßt eine bewegliche
Verbindung zwischen dem Ventilkolben 14 und dem Anker 54,
um eine fortgesetzte Bewe gung des Ankers 54 relativ zum
Ventilkolben 14 zu ermöglichen,
wenn der Ventilkolben 14 bewegt wird, um das Kugelventil 48 zu
schließen,
wie nachstehend genauer beschrieben. Insbesondere ist eine Ankerhülse 56 in
einer internen Bohrung angeordnet, die sich durch den Anker 54 erstreckt,
und fest am Anker 54 beispielsweise durch einen Presssitz
zwischen der Ankerhülse 56 und
dem Anker 54 angebracht. Die Ankerhülse 56 umfaßt eine
zentrale Bohrung 58 zum Aufnehmen des Ventilkolbens 14.
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Das
Ankerüberschreitungsmerkmal 18 umfaßt ferner
eine Überhubvorspannfeder 60,
die in einer Federkammer 62 angebracht ist, die im Ankergehäuse 24 ausgebildet
ist. Die Überschreitungsvorspannfeder 60 ist
um den Halter 61 angeordnet, der mit dem Anker 54 und
der Ankerhülse 56 in
der Weise, die am deutlichsten in 1C gezeigt
ist, in Eingriff steht. Die Überschreitungsvorspannfeder 60 in der
dargestellten Ausführungsform
ist eine Schraubenfeder, die an einem Ende an der inneren Bodenfläche 25 des
Ankergehäuses 24 sitzt
und den Anker 54 und die Ankerhülse 56 gegen den Kolben 14 in eine
Eingriffsposition an einem entgegengesetzten Ende über den
Halter 61 vorspannt. Wie hierin nachstehend mit Bezug auf
die Betätigung
des Ventils 10 genauer beschrieben, wird der Anker 54 sich
von der Eingriffsposition in eine gelöste Position – Überhublage – bewegen
lassen, nachdem der Ventilkolben 14 in die geschlossene
Position bewegt wird, in der die Ventilkugel 48 auf den
Ventilsitz 50 aufprallt. Die Überhubvorspannfeder 60 bringt
dann den Anker 54 zur Vorbereitung auf den nächsten Betätigungszyklus
in die Eingriffsposition zurück.
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Das
Ankerüberhubmerkmal 18 dient
dem Verringern von Ventilsitz-Aufprallbeanspruchungen und
von Verschleiß durch
Verringern des Aufpralls auf den Ventilsitz 50. Insbesondere
wird der Aufprall verringert, indem ermöglicht wird, daß sich der
Anker 54, der das Meiste der sich bewegenden Masse darstellt,
vom Ventilkolben 14 trennt, wenn der Kolben 14 in
die ausgefahrene Position bewegt wird und wenn das Kugelventil 48 auf
den Ventilsitz 50 aufprallt. Folglich trägt die Masse
des Ankers 54 nicht zu der auf den Ventilsitz 50 beim
Aufprall aufgebrachten Kraft bei, da sich der Anker 54 vom
Kolben 14 trennt und sich weiter bewegt.
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Während des
Betriebs, wenn das Stellglied 16 deaktiviert ist, befindet
sich der Ventilkolben 14 folglich durch die Vorspannfeder 42 in
der ausgefahre nen Position, um auf die Ventilführung 47 zu drücken, so
daß das
Kugelventil 48 am Ventilsitz 50 sitzt, um den
Fluiddurchfluss durch den Kraftstoffdurchgang 52 zu sperren.
Der Anker 54, die Ankerhülse 56 und der Halter 61 werden
auch durch die Überhubvorspannfeder 60 gegen
den Ventilkolben 14 vorgespannt. Die Ankerhülse 56 und
der Halter 61 sind so bemessen, daß sie von der Ventilführung 47 um
einen Spalt "G" getrennt sind, wenn
sich die Ventilführung 47 und
das Kugelventil 48 in der geschlossenen Position befinden.
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Um
das Durchflußsteuerventil 10 zu
betätigen,
wird die Magnetspulenanordnung 30 mit einem elektrischen
Signal bzw. Strom von einem elektronischen Steuermodul (ECM – nicht
dargestellt) über eine
Anschlußverbindung
zu einer vorbestimmten Zeit versorgt, um die Magnetspulenanordnung 30 zu speisen.
Dies bewirkt, daß sich
der Anker 54 und der Ventilkolben 14 von der in 1C gezeigten
ausgefahrenen Position um einen Hubabstand "S" nach oben
in eine zurückgezogene
Position bewegen, in der sich das Kugelventil 48 vom Ventilsitz 50 abhebt, um
dadurch einen Kraftstoffdurchfluß durch den Kraftstoffdurchgang 52 zu
ermöglichen.
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Gemäß der dargestellten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann der Hubabstand S durch Drehen des Ventilgehäuses 12 an
einem Gewinde 59 relativ zur Ventilstellgliedanordnung 16 genau
gesteuert und/oder eingestellt werden. In der dargestellten Implementierung
hängt die Änderung des
Hubs vom Grad der Drehung und von der axialen Steifigkeit der Komponenten
im Lastweg wie z. B. der Federscheibe 55 bzw. des Magnetspulen-Abstandhalters 57 ab.
Insbesondere kann die axiale Dickenabmessung des Magnetspulen-Abstandhalters 57 vergrößert oder
verkleinert werden, um den Hubabstand entsprechend einzustellen.
Außerdem kann
die Dickenabmessung und/oder die Federrate der Federscheibe 55 ebenso
eingestellt werden, um auch eine genaue Steuerung des Hubabstandes
S zu ermöglichen.
Dies ermöglicht,
daß das
elektromagnetisch betätigte
Durchflußsteuerventil 10 der
vorliegenden Erfindung in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden
kann, wodurch die Entwicklungs- und Komponentenkosten verringert
werden. Für
verschiedene Verbrennungsmotoren können die entsprechenden verschiedenen
Hubanforderungen beispielsweise leicht erfüllt werden, indem lediglich
die geeignete Federscheibe 55 und der geeignete Magnetspulen-Abstandhalter 57 ausgewählt werden.
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Nachdem
der Anker 54 um den Hubabstand S verschoben ist, und nach
einem vorbestimmten Zeitraum wird die Magnetspulenanordnung 30 deaktiviert.
Wenn die elektromagnetische Kraft abnimmt, beginnen der Ventilkolben 14,
der Anker 54, die Ankerhülse 56, der Halter 61 und
die Ventilführung 47, sich
gemeinsam bzw. als eine Baugruppe unter der Kraft der Vorspannfeder 42 in
Richtung des Ventilsitzes 50 zu bewegen, um das Kugelventil 48 auf
den Ventilsitz 50 aufzusetzen bzw. zu schließen. Wenn das
Kugelventil 48 auf den Ventilsitz 50 aufprallt
bzw. aufsitzt, wird die Bewegung des Ventilkolbens 14 und der
Ventilführung 47 schnell
verlangsamt, wie nachstehend erläutert,
während
auf dem Ventilsitz 50 eine Aufprallkraft ausgeübt wird.
Der Anker 54, die Ankerhülse 56 und der Halter 61 sind
jedoch nicht mit dem Kolben 14 gekoppelt und bewegen sich
daher weiter nach unten, da sich die Ankerhülse 56 tatsächlich vom
Ventilkolben 14 abkoppelt.
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Die
Ankerhülse 56 und
der Halter 61 verlangsamen sich, wenn sie sich der Ventilführung 47 nähern, die
stationär
ist, wenn das Kugelventil 48 auf den Ventilsitz 50 aufsitzt,
wobei der Anker 54, der vom Kolben 14 abgekoppelt
ist, auch ebenso verlangsamt wird. Eine Komponente der Kraft, die
die Verlangsamung erzeugt, wird durch den zunehmenden Druck des
Fluids im Spalt G zwischen der Ankerhülse 56 bzw. dem Halter 61 einerseits
und der Ventilführung 47 andererseits
erzeugt, wenn sich die Ankerhülse 56/der
Halter 61 bewegen und der Spalt G verringert wird. Außerdem ist
eine weitere Komponente der Kraft zum Verlangsamen des abgekoppelten
Ankers 54, der Ankerhülse 56 und
des Halters 61 die Überhubvorspannfeder 60,
die den Halter 61 gegen den Anker 54 vorspannt.
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Die
durch das Druckfluid im Spalt G erzeugte Kraft in Kombination mit
der Überhubvorspannfeder 60 reichen
aus, um die Bewegung der Ankerhülse 56/des
Halters 61 und des Ankers 54 selbst zu stoppen.
Außerdem
unterstützt
der Fluiddruck dabei, die Ankerhülse 56 und
den Halter 61 ohne einen beschädigenden Aufprall auf die Ventilführung 47 zum
Stoppen zu bringen. Der Aufprall zwischen der Ankerhülse 56/dem
Halter 61 und der Ventilführung 47 kann natürlich in
Abhängigkeit
von der Betätigungsbedingung
auftreten oder nicht. Es sollte beachtet werden, daß, obwohl 1B und 1C die
Ankerhülse 56 und
den Halter 61 in Kontakt mit der Ventilführung 47 dar stellen
zu scheinen, ein Fluidfilm dem Kontakt zwischen diesen Komponenten
unter normalen Bedingungen tatsächlich
Widerstand leistet. In der vorliegenden Ausführungsform wirkt folglich die
Ventilführung 47 in
Verbindung mit dem Fluidfilm als Ankeranschlag, der dem beschädigenden
Aufprall Widerstand leistet. Die Überhubvorspannfeder 60 bewegt dann
die Ankerhülse 56,
den Halter 61 und folglich den Anker 54 gegen
den Kolben 14 in die Eingriffsposition zurück.
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Wie
die in der
US 6,056,264 beschrieben elektromagnetisch
betätigte
Durchflußsteuerventilanordnung
stellt das Durchflußsteuerventil
10 der
vorliegenden Ausführungsform
verschiedene Vorteile gegenüber
herkömmlichen
Steuerventilen bereit, die nicht mit einem Ankerüberhubmerkmal versehen sind.
Erstens verringert das Ankerüberhubmerkmal
18,
wie beschrieben, die Größe der Aufprallkräfte auf den
Ventilsitz
50 wirksam, wobei somit die Ventilsitzbeanspruchung,
der Verschleiß und
das Ventilprellen verringert werden. Zweitens minimiert die Überhubvorspannfeder
60 wirksam
die Ventilreaktionszeit, indem der Anker
54, die Ankerhülse
56 und
der Halter
61 vor dem nächsten
Betätigungsereignis
in die Eingriffsposition zurückgeführt werden.
Bei der Betätigung
der Magnetspulenanordnung
30 während des anschließenden Betätigungszyklus
führt folglich
jede Bewegung des Ankers
54 sofort zu einer entsprechenden
Bewegung des Ventilkolbens
14. Dies vermeidet die verlorene
Bewegung des Ankers während jedes
Zyklus, die bei herkömmlichen
Steuerventilen vorhanden sein kann, wodurch die Reaktionszeit der Anordnung
verringert wird, was zu einer besser vorhersagbaren und genaueren
Steuerung des Kraftstoffdurchflusses führt.
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Außerdem stellt
das Durchflußsteuerventil
10 der
vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile auch gegenüber dem
in der
US 6,056,264 beschriebenen
Durchflußsteuerventil
bereit. Insbesondere, wie vorher angegeben, ist eine Begrenzung
bei dem elektromagnetisch betätigten
Durchflußsteuerventil gemäß der
US 6,056,264 . die Schwankung
des Ausmaßes
an Überhub
durch die Ankeranordnung. Eine solche Schwankung des Überhubs
wirkt sich negativ auf die Reaktionszeit des Durchflußsteuerventils
aus und senkt die Genauigkeit bei der Dosierung und Zeitsteuerung
des Kraftstoffs. Außerdem
wurde festgestellt, daß ein
signifikanter sekundärer
Aufprall auftritt, wenn sich die Ankeranordnung in der Rückkehrrichtung
bewegt, nachdem der Überhub
beendet ist. Während
des sekundären
Aufpralls der Ankeranordnung wird die Last am Sitz verringert, wodurch
der maximale Systembetriebsdruck durch Verringern der Dichtungstoleranz
begrenzt wird. Außerdem
wirkt sich der sekundäre
Aufprall auf die Kraftstoffdosierung negativ aus und kann im Szenario
des schlimmsten Falls auch verursachen, daß eine unerwünschte sekundäre Einspritzung
vorkommt.
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Durch
Implementieren des Durchflußsteuerventils 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem der Kolben 14 am Kugelventil 48 über die
Ventilführung 47 anliegt
und bei dem der Spalt G vorgesehen ist, können die vorstehend angegebenen
Begrenzungen bzw. Nachteile von Durchflußsteuerventilen des Standes
der Technik signifikant verringert werden. Insbesondere werden die
Abmessung des Spalts G und die radiale Oberfläche des Spalts G so ausgewählt, daß die gewünschte Menge
an Fluidvolumen, das unter Druck gesetzt ist, bereitgestellt wird. Mit
anderen Worten, die röhrenförmige Dicke
der Ankerhülse 56 und/oder
des Halters 61 sowie die Abmessung des Spalts G können selektiv
eingestellt werden, um die gewünschte
Menge an Quetschfilmdämpfung
zwischen der Ankerhülse 56/dem
Halter 61 und der Ventilführung 47 bereitzustellen.
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Somit
ermöglicht
die vorstehend beschriebene vorliegende Erfindung, daß das Ausmaß an Überhub (und
die erforderliche Zykluszeit für
den Überhub)
durch Steuern der Menge an Quetschfilm gesteuert wird. Dies ermöglicht eine
Minimierung der Überhubschwankung,
während
das Erhalten der gewünschten
Leistung ermöglicht
wird. Bei einer Mehrimpuls-Betätigung
kann die Zykluszeit des Überhubs
auch durch Steuern der Menge an Quetschfilm gesteuert werden, um
eine Kraftstoffzuteilungsschwankung aufgrund einer Impulstrennung zu
verhindern. Außerdem
kann die Zeiteinschränkung
des sekundären
Aufpralls auch eingestellt und wirksam gesteuert werden, indem die
Abmessung des Spalts G und die radiale Oberfläche optimiert werden. Die Erfinder
haben festgestellt, daß die
Festlegung der Abmessung und der radialen Oberfläche des Spalts G ermöglicht,
daß der Überhub im
Durchflußsteuerventil 10 der
vorliegenden Ausführungsform
auf +/– 10 μm festgelegt
wird. Eine solche präzise
Steuerung des Überhubsund
des sekundären
Aufpralls minimiert wirksam die Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs-Schwankung
von Einspritzdüse
zu Einspritzdüse
sowie die Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs-Schwankung von Einspritzung
zu Einspritzung, die durch eine Überhubschwankung
während der
normalen Betätigung
sowie während
einer Mehrimpuls-Betätigung
verursacht werden können. Da
die vorliegende Erfindung den Stellgliedhub vom Überhub unabhängig macht,
wird überdies
die Kompatibilität
mit hinsichtlich des Hubs einstellbaren Stellgliedern aufrechterhalten.
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2 zeigt
ein Diagramm
70, das einen Ankerüberhub und eine Wiederöffnungsprellen
darstellt, die durch den sekundären
Aufprall des Ankers in einem herkömmlichen elektromagnetisch
betätigten Durchflußsteuerventil
mit einem Ankerüberhub
verursacht wird, welches in einer Weise arbeitet, wie in der
US 6,056,264 beschrieben.
Wie gezeigt, ist die Linie
74 der Strom (in Ampere), der
zu einem herkömmlichen
Durchflußsteuerventil
geliefert wird, über
die Zeit (in Mikrosekunden). Das Liefern des Stroms bewirkt, daß sich der
Kolben des Durchflußsteuerventils in
der Weise bewegt, die durch die Linie
76 (Linie mit Kreisen)
gezeigt ist, wobei die Bewegung durch die Verschiebungsprüfspannung
(Mikrovolt) angegeben ist. Überdies
bewegt sich der Anker auch entsprechend in der durch die Linie
78 (Linie
mit Dreiecken) gezeigten Weise, wobei diese Bewegung abgeschätzt ist.
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Wie
zu sehen ist, tritt bei ungefähr
1070 Mikrosekunden der anfängliche
Aufprall auf und der Kolben prallt auf den Ventilsitz auf, wodurch
der Strömungsdurchgang
geschlossen wird. Wie in der
US 6,056,264 beschrieben,
führt jedoch
der Anker seine Verschiebung fort und der Anker führt einen Überhub aus,
wie gezeigt. Der Anker erreicht seinen Spitzenankerüberhub bei
ungefähr
1700 Mikrosekunden und wird zurückgeschoben,
so daß bei
ungefähr 2500
Mikrosekunden der Anker wieder mit dem Kolben in Eingriff kommt,
was einen sekundären
Aufprall verursacht. Der sekundäre
Aufprall kann tatsächlich verursachen,
daß sich
der Kolben wieder öffnet,
wie durch die Wiederöffnungsprellung
angegeben. Wie vorher erläutert,
ist ein solcher sekundärer
Aufprall unerwünscht,
da er die Last am Ventilsitz verringern kann und die Dichtungstoleranz
verringern kann, wodurch der maximale Systembetriebsdruck begrenzt wird.
Außerdem
wurde auch festgestellt, daß der
sekundäre
Aufprall sich auf die Kraftstoffdosierung und/oder -Zeitsteuerung
negativ auswirkt und im Szenario des schlimmsten Falls eine unbeabsichtigte sekundäre Einspritzung
während
der Wiederöffnungsprellung
des Kolbens verursacht.
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3 zeigt
ein Diagramm
80, das die Schwankung des Ankerüberhubs
in einem herkömmlichen
elektromagnetisch betätigten
Durchflußsteuerventil
mit einem Überschreitungsmerkmal,
wie z. B. in der
US 6,056,264 beschrieben,
darstellt. Im Diagramm
80 wurde der Ankerüberhub durch
Messen des Steuerdrucks in der Federkammer, der den Ankerüberhub angibt,
abgeleitet, wobei der tatsächliche Ankerüberhub schwierig
genau zu messen ist. Der Zuführungsdruck
ist durch die Linie
84 (Linie mit Kreisen) im Kurvenbild
80 angegeben.
Ein Prüfstromsignal,
das geliefert wird, um das Durchflußsteuerventil zu betätigen, ist
als Linie
86 (Linie mit Dreiecken) gezeigt. Es sollte beachtet
werden, daß nur
ein Stromsignal im Diagramm
80 aus Veranschaulichungsgründen dargestellt
ist. Während
der Experimente, aus denen das vorliegende Diagramm
80 abgeleitet wurde,
wurden jedoch eine Vielzahl von Stromsignalen geliefert, wobei jedes
Stromsignal einem der Steuerdrücke
entsprach, die durch die Linien
88 angegeben sind, die
den Ankerüberhub
während
der Betätigung
des Durchflußsteuerventils
darstellen. Das Stromsignal für
das erste Speisungsereignis, das in
3 gezeigt
ist, begann bei 0,001 Sekunden und endete bei 0,003 Sekunden für alle gezeigten Testfälle. Die
Dauer der zweiten Speisung, die in
3 als bei
0,0045 Sekunden beginnend und bei 0,005 Sekunden endend gezeigt
ist, war für
jeden Fall identisch.
3 zeigt die Wirkung der Veränderung
der Startzeit des zweiten Speisungsereignisses. Insbesondere, wie
deutlich zu sehen ist, besteht eine signifikante Schwankung der
Amplitude der Täler
der Linien
88, die die Position des Ankers an der Spitze der
Ankerüberschreitung
angeben. Diese Schwankung der Täler
der Linien
88 ist am deutlichsten durch den Schwankungsbereich
89 gezeigt,
der hervorgehoben ist. Wie vorher beschrieben, kann eine solche Schwankung
des Ankerüberhubs
während
einer normalen Betätigung
eine Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs-Schwankung und eine Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs-Schwankung
von Einspritzung zu Einspritzung während einer Mehrimpuls-Betätigung sowie
eine Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs-Schwankung von Einspritzdüse zu Einspritzdüse verursachen.
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Die
vorstehend beschriebenen 2 und 3 zeigen
natürlich
graphisch die Leistung des Durchflußsteuerventils mit einem Überhubmerkmal während einer
Beispielbetätigung
nur für
Erläuterungszwecke.
Wie vorstehend in Bezug auf 2 beschrieben,
kann ein signifikanter sekundärer
Aufprall auftreten, wenn der Anker, der eine Überschreitung durchgeführt hat,
zurückge führt wird,
wobei der sekundäre
Aufprall potentiell zu einer Wiederöffnungsprellung und einer entsprechenden
unerwünschten
sekundären
Einspritzung führt.
Wie auch vorstehend in Bezug auf 3 beschrieben,
weisen überdies
die herkömmlichen
Durchflußsteuerventile, die
einen Ankerüberhub
gestatten, auch eine signifikante Schwankung des Ankerüberhubs
auf, die Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs-Schwankungen in vielen
Anwendungen verursachen kann.
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4 und 5 stellen
Diagramme ähnlich 2 bzw. 3 dar,
die vorstehend für
das in 1A bis 1C gezeigte
elektromagnetisch betätigte
Durchflußsteuerventil 10 erörtert wurden,
wobei der Spalt G auf ungefähr
50 Mikrometer festgelegt wurde. Insbesondere zeigt 2 ein
Diagramm 100, das einen Ankerüberhub und eine Wiederöffnungsprellung
darstellt, die durch den sekundären
Aufprall des Ankers 54 im Durchflußsteuerventil 10 verursacht
wird. Wie gezeigt, ist die Linie 104 der Strom (in Ampere),
der zum Durchflußsteuerventil 10 geliefert wird, über die
Zeit (in Mikrosekunden), welches in der vorstehend in Bezug auf 1A bis 1C beschriebenen
Weise arbeitet. Mit Bezug auf sowohl 1C als
auch 4 verursacht das Liefern des Stroms, daß sich der
Kolben 14 des Durchflußsteuerventils 10 in
der durch die Linie 106 (Linie mit Kreisen) gezeigten Weise
bewegt, wobei die Bewegung des Kolbens 14 durch die Verschiebungsprüfspannung
angegeben ist. Überdies
bewegt sich der Anker 54 in der durch die Linie 108 (Linie
mit Dreiecken) gezeigten Weise als Reaktion auf den gelieferten Strom,
wobei die Bewegung des Ankers 54 wieder abgeschätzt ist.
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Im
dargestellten Beispiel tritt bei ungefähr 1080 Mikrosekunden der anfängliche
Aufprall auf und das Kugelventil 48 prallt auf den Ventilsitz 50 auf, wodurch
der Strömungsdurchgang 52 geschlossen wird.
Wie beschrieben, setzen jedoch der Anker 54, die Ankerhülse 56 und
der Halter 61 ihre Verschiebung fort, wobei der Ankerüberhub durch
das Tal der Linie 108 gezeigt ist. Der Anker 54 erreicht
seinen maximalen Ankerüberhub
bei ungefähr
1120 Mikrosekunden – wo
er bzw. der Halter 61 optional auf der Ventilführung 47 aufsitzen,
wie durch "Teller-Aufprall" in 4 gekennzeichnet – und wird
zurückgeschoben,
so daß bei
ungefähr
1150 Mikrosekunden der Anker 54 wieder mit dem Kolben 14 in
Eingriff kommt, wodurch ein sekundärer Aufprall verursacht wird. Wie
zu sehen ist, stellen die Bereitstellung der Ventilführung 47 und
die Optimierung der radialen Fläche und der
Abmessung des Spalts G einen minimalen sekundären Aufprall sicher, wodurch
eine gute Steuerung über
die Ankerüberschreitung
bereitgestellt wird und die durch den sekundären Aufprall verursachte Ankerbewegung
minimiert wird.
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Somit
minimiert die Ausführungsform
des Durchflußsteuerventils 10,
wie in 1A bis 1C gezeigt,
die Wiederöffnungsprellung
und hält
die Last am Ventilsitz 50 durch das Kugelventil 48 aufrecht, wodurch
das Aufrechterhalten des maximalen Systembetriebsdrucks und der
Dichtungstoleranz ermöglicht
wird. Dies minimiert natürlich
die Wahrscheinlichkeit dafür,
daß die
Kraftstoffzuteilung/Zeitsteuerung beeinflußt wird, und verringert ferner
die Wahrscheinlichkeit für
eine unbeabsichtigte sekundäre
Einspritzung.
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5 zeigt
ein Diagramm 110, das die Schwankung des Ankerüberhub im
elektromagnetisch betätigten
Durchflußsteuerventil 10 von 1A bis 1C,
das vorstehend erörtert
wurde, darstellt. Im Diagramm wurde der Ankerüberhub wieder durch Messen
des Steuerdrucks in der Federkammer 62, der die Ankerüberschreitung
angibt, bestimmt. Der Zuführungsdruck
ist durch die Linie 114 (Linie mit Kreisen) angegeben und
ein Prüfstromsignal,
das zum Betätigen
des Durchflußsteuerventils 110 geliefert
wird, ist als Linie 116 (Linie mit Dreiecken) gezeigt.
Wiederum ist der Deutlichkeit halber nur ein Stromsignal gezeigt,
aber während
der Experimente, aus denen das vorliegende Diagramm 110 abgeleitet wurde,
wurden eine Vielzahl von Stromsignalen geliefert, die jeweils einem
der Steuerdrücke
entsprachen, die durch die Linien 118 angegeben sind, die den
Ankerüberhub
darstellen. Wie deutlich zu sehen ist, sind die Täler der
Linien 118, die die Position des Ankers an der Spitze der
Ankerüberschreitung
angeben, mit minimaler Schwankung im Bereich 119 im Wesentlichen
konstant.
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Die
aus der vorliegenden Erfindung gewonnene Leistungsverstärkung gegenüber herkömmlichen
Durchflußsteuerventilen
mit Überhubmerkmal ist
am deutlichsten durch Vergleichen des im Wesentlichen konstanten Überhubs
im Bereich 119 im Vergleich zum Schwankungsbereich 89,
der im Kurvenbild 80 von 3 gezeigt
ist, zu sehen. Folglich verringert die vorliegende Erfindung die
Schwankung des Ankerüberhubs
signifikant, wodurch die Wahrscheinlichkeit für Kraftstoffzuteilungs/Zeitsteuerungs- Schwankungen und
unerwünschtes
Kolbenwiederöffnen
in verschiedenen Anwendungen verringert wird.
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6 ist
eine Schnittansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils 130 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Durchflußsteuerventil 130 ist generell
wie das vorstehend in Bezug auf 1A bis 1C erörterte Durchflußsteuerventil 10 konstruiert und
funktioniert in einer im wesentlichen ähnlichen Weise. Somit sind
viele ähnliche
Komponenten in der Querschnittsansicht des Durchflußsteuerventils 130 nicht
gezeigt. Das Durchflußsteuerventil 130 umfaßt einen
Ventilkolben 134, der für
eine Hin- und Herbewegung angebracht ist, eine Ventilstellgliedanordnung 136 zum
selektiven Bewegen des Ventilkolbens 134 zwischen einer
zurückgezogenen
und einer ausgefahrenen Position. Die Ventilstellgliedanordnung 136 umfaßt eine
Magnetspulenanordnung 138 mit einer Spule 140,
die in der vorher beschriebenen Weise betätigt werden kann. Ein Ankergehäuse 142 umfaßt einen
Aussparungshohlraum 146, den Ventilkolben 134,
der sich durch den Aussparungshohlraum 146 erstreckt, so
daß er
an einer Ventilführung 148 anliegt,
die mit einem Kugelventil 150 in Eingriff steht. Das Kugelventil 150 dichtet
entlang eines Ventilsitzes 152 ab, um den Durchfluß durch
den Kraftstoffdurchgang 154 zu sperren. Die Magnetspulenanordnung 138 umfaßt auch
einen Anker 160, der am Ventilkolben 134 über eine
Ankerhülse 162 montiert
ist, um den Ventilkolben 134 zwischen der zurückgezogenen und
der ausgefahrenen Position zu betätigen. Wie die vorherige Ausführungsform
verursacht die Speisung der Spule 140, daß sich der
Anker 160 in Richtung der Magnetspulenanordnung 138 bewegt,
wodurch der Ventilkolben 134 zurückgezogen wird, um zu ermöglichen,
daß sich
das Kugelventil 150 vom Ventilsitz 152 in eine
offene Position abhebt, so daß Kraftstoff
durch den Kraftstoffdurchgang 154 strömen kann.
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Das
Durchflußsteuerventil 130 ist
mit einem Ankerüberhubmerkmal
versehen, in dem der Anker 160, die Ankerhülse 162 und
der Halter 164 beweglich mit dem Ventilkolben 134 verbunden
sind, um eine fortgesetzte Bewegung relativ zum Ventilkolben 134 zu
ermöglichen,
wenn das Kugelventil 150 über die Ventilführung 148 geschlossen
wird. Insbesondere ist die Ankerhülse 162 in einer inneren
Bohrung angeordnet, die sich durch den Anker 160 erstreckt, und
fest an diesem angebracht, wobei die Ankerhülse 162 den Ventilkolben 134 durch
diese hindurch beweglich aufnimmt. Eine Überschreitungsvorspannfeder
ist um den Halter 164 angeordnet, der auch mit dem Anker 160 und
der Ankerhülse 162 in
der gezeigten Weise in Eingriff steht. Der Aufprall am Ventilsitz 152 wird
verringert, indem ermöglicht
wird, daß sich
der Anker 160, der das Meiste der sich bewegenden Masse
darstellt, vom Ventilkolben 134 trennt, wenn der Kolben 134 in
die ausgefahrene Position bewegt wird und das Kugelventil 150 den
Ventilsitz 152 berührt.
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Im
Gegensatz zum Durchflußsteuerventil 10, das
vorher in Bezug auf 1C beschrieben wurde, bei dem
die Überhubvorspannfeder 60 am
Ankergehäuse 24 an
einem Ende sitzt, ist das Durchflußsteuerventil 130 in
der Ausführungsform
von 6 in einer alternativen Weise gestaltet. Insbesondere
ist das Durchflußsteuerventil 130 so
gestaltet, daß die Überhubvorspannfeder 166 an
der Ventilführung 148 sitzt
und zum Vorspannen des Ankers 160 und der Ankerhülse 162 gegen
den Kolben 134 über
den Halter 164 in eine Eingriffsposition funktioniert.
Somit wird die Federkraft, die von der Überhubvorspannfeder 166 erzeugt
wird, die den Anker 160 zur Vorbereitung auf den nächsten Betätigungszyklus
in die Eingriffsposition zurückbringt,
zum Ventilsitz 152 gerichtet.
-
Bei
der Betätigung,
wenn die Stellgliedanordnung 136 deaktiviert ist, wird
der Ventilkolben 134 durch eine Vorspannfeder (nicht dargestellt)
in der ausgefahrenen Position angeordnet, so daß das Kugelventil 152 über die
Ventilführung 148 auf
dem Ventilsitz 152 sitzt. Der Anker 160, die Ankerhülse 162 und
der Halter 164 werden auch durch die Überhubvorspannfeder 166 gegen
den Ventilkolben 134 vorgespannt. Die Ankerhülse 162 und
der Halter 164 sind so bemessen, daß sie von der Ventilführung 148 um
einen Spalt "G" durch die Kraft,
die durch die Überhubvorspannfeder 166 ausgeübt sind,
getrennt sind, wenn sich das Kugelventil 152 in der geschlossenen
Position befindet. Wenn die Magnetspulen-Stellgliedanordnung 136 aktiviert
wird, bewegen sich der Anker 160 und der Ventilkolben 134 nach oben
in eine offene Position, in der sich die Ventilführung 148 und das
Kugelventil 150 vom Ventilsitz 152 abheben, um
einen Kraftstoffdurchfluß zu
gestatten.
-
Wenn
die Stellgliedanordnung 136 deaktiviert wird, beginnen
der Anker 160, die Ankerhülse 162, der Halter 164 und
die Ventilführung 148,
sich als eine Baugruppe unter der Kraft der Vorspannfeder (nicht
dargestellt) in Richtung des Ventilsitzes 152 zu bewegen,
was bewirkt, daß das
Kugelventil 150 auf den Ventilsitz 152 gesetzt
wird. Wenn das Kugelventil 150 auf den Ventilsitz 152 aufprallt,
werden der Ventilkolben 134 und die Ventilführung 148 gestoppt,
während
dem Ventilsitz 152 eine Aufprallkraft erteilt wird. Der
Anker 160, die Ankerhülse 162 und
der Halter 164 sind jedoch nicht mit dem Kolben 134 gekoppelt
und bewegen sich daher weiter nach unten in Richtung der Ventilführung 148.
-
Da
diese Komponenten vom Kolben 134 abgekoppelt sind, nimmt
der Fluiddruck im Spalt G zwischen der Ankerhülse 162/dem Halter 164 und
der Ventilführung 148 zu.
Diese Komponenten werden durch den zunehmenden Fluiddruck im Spalt
G sowie durch die Kraft, die durch die Überhubvorspannfeder 166 ausgeübt wird,
die den Halter 164 in der entgegengesetzten Richtung des
Ventilsitzes 152 vorspannt, verlangsamt und im wesentlichen
gestoppt. In Abhängigkeit
von den Betätigungsbedingungen kann
natürlich
ein direkter Kontakt zwischen dem Halter 164 und der Ventilführung 148 auftreten.
Die durch das Druckfluid im Spalt G erzeugte Kraft in Kombination
mit der Überhubvorspannfeder 166 reichen
jedoch im Allgemeinen aus, um die Bewegung der Ankerhülse 162,
des Halters 164 und des Ankers 160 zu stoppen,
wodurch dem Kontakt zwischen diesen Komponenten unter normalen Betätigungsbedingungen
Widerstand geleistet wird. Die Abmessung und die Oberfläche des
Spalts G können
ausgewählt werden,
um die Druckbeaufschlagung des Fluids zu optimieren, um dadurch
den Überhub
(in Kombination mit der Überhubvorspannfeder 166)
zu steuern und die Überhubschwankung
zu minimieren. Die Überhubvorspannfeder 166 bewegt
dann die Ankerhülse 162,
den Halter 164 und folglich den Anker 160 gegen
den Kolben 134 in die Eingriffsposition zurück.
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Es
sollte ersichtlich sein, daß in
dem Überhubmechanismus
des elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils 130 die Überhub-Vorspannfeder 166 durch
die Ventilführung 148 belastet
wird. Folglich wirkt die Überhubvorspannfeder 166 gleich in
entgegengesetzten Richtungen, d. h. in der Richtung der Ventilführung 148 und
in der Richtung des Halters 164. Folglich ist jeglicher
Lastverlust an der Grenzfläche
zwischen dem Kugelventil 150/Ventilsitz 152 das
Ergebnis irgendeiner restlichen kinetischen Energie in den Überschreitungskomponenten
(d. h. Anker 160, Ankerhülse 162 und Halter 164),
wenn sie in die Eingriffsposition zurückgebracht werden und auf den
Kolben 134 aufprallen. Wenn die Überhubvorspannfeder im Gegensatz
dazu gegen das Gehäuse
wirkt, wie z. B. bei dem in 1A bis 1C gezeigten
Ausführungsbeispiel,
umfaßt
der Lastverlust an der Grenzfläche
des Kugelventils/Ventilsitzes die statische Last der Überhubvorspannfeder
sowie die Aufprallast der Überhubskomponenten.
Daher minimiert das Durchflußsteuerventil 130,
wie in der Ausführungsform
von 6 gezeigt, ferner die Verringerung der Last am
Ventilsitz 50 während
des sekundären
Aufpralls, so daß die
Dichtungstoleranz nicht signifikant verringert wird. Dies ermöglicht einen maximalen
Systembetriebsdruck und verringert die Wahrscheinlichkeit für eine Wiederöffnungsprellung.
-
7 ist
eine Schnittansicht des elektromagnetisch betätigten Durchflußsteuerventils 170 gemäß noch einer
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welches im Allgemeinen wie das vorstehend
in Bezug auf 6 erörterte Durchflußsteuerventil 130 konstruiert
ist und welches in einer ähnlichen
Weise funktioniert. Somit sind viele ähnliche Komponenten in der
Schnittansicht des Durchflußsteuerventils 170 für Deutlichkeitszwecke
nicht gezeigt.
-
Das
Durchflußsteuerventil 170 umfaßt einen Ventilkolben 174,
der für
eine Hin- und Herbewegung zwischen einer zurückgezogenen und einer ausgefahrenen
Position angebracht ist. Ein Ankergehäuse 176 umfaßt einen
Aussparungshohlraum 177, wobei sich der Ventilkolben 174 durch
dieses hindurch erstreckt, so daß er an einer Ventilführung 178 anliegt, die
mit einem Kugelventil 180 in Eingriff steht. Das Kugelventil 180 dichtet
entlang eines Ventilsitzes 181 ab, der im Ankergehäuse 176 ausgebildet
ist, um die Strömung
durch den Kraftstoffdurchgang 179 zu sperren. Der Anker 182 ist
am Ventilkolben 174 über eine
Ankerhülse 188 zum
Betätigen
des Ventilkolbens 174 zwischen der zurückgezogenen und der ausgefahrenen
Position angebracht. Wie die vorherige Ausführungsform ist das Durchflußsteuerventil 170 mit
einem Überhubmerkmal
versehen, in dem der Anker 170, die Ankerhülse 188 und
der Halter 184 beweglich mit dem Ventilkolben 174 verbunden sind,
um eine fortgesetzte Bewegung des Ankers 182 und der anderen
Komponenten relativ zum Ventilkolben 174 zu gestatten,
wenn der Ventilkolben 174 das Kugelventil 180 gegen
den Ventilsitz 181 schließt.
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Folglich
trägt die
Masse des Ankers 182 nicht zu der auf den Ventilsitz 181 aufgebrachten Kraft
bei, wodurch die Aufprallkraft auf das Kugelventil 180 und
den Ventilsitz 181 minimiert wird.
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In
der dargestellten Ausführungsform
von 7 ist jedoch der Halter 184 in zwei Teilen
implementiert, einem oberen Teil 185, das am Anker 182 anliegt,
und einem unteren Teil 186, das vom oberen Teil 185 durch
einen Spalt "G" getrennt ist. Das
untere Teil 186 ist am Ende des Ventilkolbens 174 befestigt,
wie gezeigt, um ihre relative Positionierung zueinander aufrechtzuerhalten.
In dieser Hinsicht ist das untere Teil 186 auf den Ventilkolben 174 in
der dargestellten Ausführungsform
aufgepresst, kann jedoch auch in einer beliebigen anderen geeigneten Weise
befestigt sein. Außerdem
kann das untere Stück 186 in
anderen Implementierungen einteilig am Ende des Ventilkolbens 174 vorgesehen
sein.
-
Wie
die Ausführungsform
von 6 ist das Durchflußsteuerventil 170 so
ausgelegt, daß die
Federkraft, die die von der Überhubvorspannfeder 190 erzeugt
wird, die den Anker 182 in die Eingriffsposition zurückbringt,
zum Ventilsitz 178 gerichtet ist. In dieser Hinsicht sitzt
die Überhubvorspannfeder 190 in
der vorliegenden Ausführungsform
am unteren Teil 186 des Halters 184 und wirkt
zum Vorspannen des Ankers 182 und der Ankerhülse 188 gegen
den Kolben 174 in die Eingriffsposition. Folglich wirkt
die Überhubvorspannfeder 190 gleich
in entgegengesetzten Richtungen und irgendein Lastverlust an der Grenzfläche des
Kugelventils 180/Ventilsitzes 181 ist das Ergebnis
von nur der kinetischen Energie in den Überhubkomponenten, einschließlich des
Ankers 182, der Ankerhülse 188 und
des oberen Teil 185 des Halters 184, wenn sie
gegen den Kolben 174 in die Eingriffsposition zurückgebracht
werden, und nicht der statischen Belastung der Überhubvorspannfeder 190.
Daher minimiert das Durchflußsteuerventil 170 die
Verringerung der Last am Ventilsitz 181, so daß die Dichtungstoleranz
nicht signifikant verringert wird, wodurch ein maximaler Systembetriebsdruck und
die Verringerung der Wahrscheinlichkeit für eine Wiederöffnungsprellung
ermöglicht
werden.
-
Angesichts
des obigen sollte es für
einen üblichen
Fachmann ersichtlich sein, daß die
vorliegende Erfindung ein elektromagnetisch betätigtes Durchflußsteuerventil
mit verschiedenen Vorteilen gegenüber Durchflußsteuer ventilen
des Standes der Technik bereitstellt. Insbesondere, wie vorstehend
erläutert, verringert
das elektromagnetisch betätigte
Durchflußsteuerventil
der vorliegenden Erfindung die Schwankung des Überhubs, um die Genauigkeit
bei der Dosierung und Zeitsteuerung von Kraftstoff zu erhöhen. Wie
auch vorstehend beschrieben, verringert das Durchflußsteuerventil
der vorliegenden Erfindung ferner den sekundären Aufprall, der durch den zurückkehrenden
Anker verursacht wird, wodurch ermöglicht wird, daß die Dichtungstoleranz
aufrechterhalten wird, so daß der
maximale Systembetriebsdruck nicht verringert wird.
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Obwohl
verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es selbstverständlich,
daß die Erfindung
nicht auf diese begrenzt ist. Die vorliegende Erfindung kann durch
Fachleute geändert,
modifiziert und weiter angewendet werden. Daher ist diese Erfindung
nicht auf vorher gezeigte und beschriebene Details begrenzt, sondern
umfaßt
auch alle derartigen Änderungen
und Modifikationen.
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Zu 3 und 5 ist
anzumerken, daß 1 ksi
im wesentlichen 6,895 MPa entspricht.