DE102005017243B4

DE102005017243B4 - Elektromagnetisch betätigtes Durchflußsteuerventil

Info

Publication number: DE102005017243B4
Application number: DE102005017243.1A
Authority: DE
Inventors: Michael A. Lucas; David L. Buchanan; David M. Rix; Edward C. Morris, Jr.; Donald J. Benson
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: US7156368B2; US20050230494A1; DE102005017243A1

Abstract

Es wird ein Durchflußsteuerventil zum Steuern des Durchflusses von Kraftstoff in einem Kraftstoffsystem vorgeschlagen. Das Ventil umfaßt ein Gehäuse mit einem Kraftstoffdurchgang, eine Ventileinrichtung, die beweglich ist, um den Kraftstoffdurchgang wahlweise zu schließen, einen Ventilkolben, der mit der Ventileinrichtung in Eingriff steht, ein Stellglied zum Hin- und Herbewegen des Ventilkolbens, ein Ankerüberhubmerkmal zum Gestatten einer fortgesetzten Bewegung des Ankers relativ zum Ventilkolben von einer Eingriffsposition in eine gelöste Position, wenn der Ventilkolben die ausgefahrene Position erreicht, und einen Ankeranschlag zum Stoppen bzw. Begrenzen des Überhubs des Ankers.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein elektromagnetisch betätigtes Durchflusssteuerventil für ein Kraftstoffsystem gerichtet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Durchflusssteuerventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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.
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.
Die US 6 056 264 A 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 Überhubvorspannfeder 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.
Somit schafft die US 6 056 264 A 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.
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.
Bei dem Durchflusssteuerventil, von dem die Erfindung ausgeht ( US 6 161 813 A = DE 197 08 104 A1 ) kann sich nach Aufsetzen des Ventilgliedes auf den Ventilsitz die Ankerplatte des Ankers gegen die Kraft der Rückholfeder allein weiterbewegen. Ein Fluidfilmspalt zwischen der Stirnseite des beweglichen Ankers und einem im Gehäuse ortsfesten Gegenstück erlaubt den Aufbau einer Gegenkraft, die der Bewegung der Ankerplatte entgegenwirkt.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Lehre der Erfindung das Problem zugrunde, die Schwankung im Ausmaß des Überhubs bei einem Durchflusssteuerventil dieser Art zu minimieren.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Durchflusssteuerventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass die Ventilführung als Ankeranschlagmittel dient und der Fluidfilmspalt zwischen dem Halter und der Ventilführung angeordnet ist. Die Zuordnung von Anker und Ventilkolben ist durch die Konstruktion des Ankers mit interner Bohrung und Ankerhülse optimiert, wobei die Ankerhülse eine zentrale Bohrung aufweist, in der der Ventilkolben beweglich aufgenommen ist.
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.
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 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.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Durchflußsteuerventil ferner eine Federscheibe und/oder eine Magnetspulen-Abstandhalter umfassen, die dazu ausgelegt sind, einen Hubabstand, um den der Anker bewegt wird, wenn die Magnetspulenanordnung gespeist wird, um den Ventilkolben zurückzuziehen, zu steuern.
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.
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.
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.

1A ist eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine Schnittansicht des elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventils von 1A.
1C ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts des in 1B gezeigten elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventils, die das Überhubsmerkmal der vorliegenden Erfindung deutlicher darstellt.
2 ist ein Diagramm, das den Ankerüberhub und das Wiederöffnungsprellen zeigt, was durch den sekundären Aufprall des Ankers in einem herkömmlichen elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventil mit einem Ankerüberhubmerkmal verursacht wird.
3 ist ein Diagramm, das die Schwankung des Ankerüberhub in einem herkömmlichen elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventil zeigt.
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.
5 ist ein Diagramm, das die Schwankung der Ankerüberschreitung in dem elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventil von 1A zeigt.
6 ist eine Schnittansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1A stellt eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventils 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 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 zurückkehrenden 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.
Das elektromagnetisch betätigte Durchflusssteuerventil 10 ist mit einem Ankerüberhubmerkmal versehen, wie allgemein in der US 6 056 264 A erläutert. Insbesondere, wie am deutlichsten in den Schnittansichten 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.
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.
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.
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 48 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.
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.
Das Ankerüberhubmerkmal 18 umfaßt eine bewegliche Verbindung zwischen dem Ventilkolben 14 und dem Anker 54, um eine fortgesetzte Bewegung 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.
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.
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.
Während des Betriebs, wenn das Stellglied 16 deaktiviert ist, befindet sich der Ventilkolben 14 folglich durch die Vorspannfeder 42 in der ausgefahrenen 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.
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.
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.
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.
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.
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 darstellen 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.
Wie die in der US 6 056 264 A beschrieben elektromagnetisch betätigte Durchflusssteuerventilanordnung stellt das Durchflusssteuerventil 10 der vorliegenden Ausführungsform verschiedene Vorteile bereit. 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.
Das Durchflusssteuerventil 10 der vorliegenden Erfindung stellt verschiedene Vorteile gegenüber dem in der US 6 056 264 A beschriebenen Durchflusssteuerventil bereit. Insbesondere, wie vorher angegeben, ist eine Begrenzung bei dem elektromagnetisch betätigten Durchflusssteuerventil gemäß der US 6 056 264 A . 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.
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.
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.
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 A 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.
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 A 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.
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 A 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.
Zu 3 und 5 ist anzumerken, dass 1 ksi im wesentlichen 6,895 MPa entspricht.
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, zurückgeführt 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Angesichts des obigen sollte es für einen üblichen Fachmann ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ein elektromagnetisch betätigtes Durchflusssteuerventil mit verschiedenen Vorteilen gegenüber Durchflusssteuerventilen 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.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese begrenzt ist.

Claims

Durchflusssteuerventil zum Steuern des Durchflusses von Kraftstoff in einem Kraftstoffsystem, aufweisend: ein Gehäuse (24; 142) mit einem Kraftstoffdurchgang (52; 154), eine Ventileinrichtung (48; 150) mit einer Ventilführung (47; 148), wobei die Ventileinrichtung (48; 150) beweglich ist, einerseits um den Kraftstoffdurchgang (52; 154) zu schließen, um den Kraftstoffdurchfluss durch den Kraftstoffdurchgang (52; 154) zu sperren, und andererseits um den Kraftstoffdurchgang zu öffnen, um den Kraftstoffdurchfluss durch den Kraftstoffdurchgang (52; 154) zu gestatten, einen Ventilkolben (14; 134), der mit der Ventilführung (47; 148) in Eingriff steht, wobei der Ventilkolben (14; 134) dazu ausgelegt ist, sich zwischen einer ausgefahrenen Position, in der die Ventilführung (47; 148) und damit die Ventileinrichtung (48; 150) in die geschlossene Position bewegt ist, und einer zurückgezogenen Position, in der die Ventilführung (47; 148) und damit die Ventileinrichtung (48; 150) in die offene Position bewegt ist, hin und her zu bewegen, ein Stellgliedmittel zum Hin- und Herbewegen des Ventilkolbens (14; 134), wobei das Stellgliedmittel aufweist eine Magnetspulenanordnung (30; 138) mit einer Spule (32; 140), die gespeist werden kann, um den Ventilkolben (14; 134) in die zurückgezogene Position zu bewegen, und einen Anker (54; 160), der mit dem Ventilkolben (14; 134) für eine Bewegung mit dem Ventilkolben (14; 134) in Richtung der ausgefahrenen Position verbunden ist, einen Halter (61; 164), der am Anker (54; 160) anliegt, ein Ankerüberhubmittel (18) zum Ermöglichen einer fortgesetzten Bewegung des Ankers (54; 160) relativ zum Ventilkolben (14; 134) von einer Eingriffsposition in eine gelöste Position, wenn der Ventilkolben (14; 134) die ausgefahrene Position erreicht, wobei das Ankerüberhubmittel (18) ein Überhubvorspannmittel (60; 166) zum Zurückführen des Ankers (54; 160) von der gelösten Position in die Eingriffsposition vor der nachfolgenden Einschaltung der Spule (32; 140) umfasst, und ein Ankeranschlagmittel zum Stoppen bzw. Begrenzen des Überhubs des Ankers (54; 160), wobei das Ankeranschlagmittel einen Fluidfilmspalt (G) umfasst, der der Überhubbewegung des Ankers (54; 160) durch Fluid Widerstand leistet bzw. diese dämpft, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilführung (47; 148) als Ankeranschlagmittel dient und der Fluidfilmspalt (G) zwischen dem Halter (61; 164) und der Ventilführung (47; 148) angeordnet ist, dass der Anker (54; 160) eine interne Bohrung aufweist, die sich durch den Anker (54; 160) erstreckt, dass in der Bohrung im Anker (54; 160) eine Ankerhülse (56; 162) angeordnet ist, die am Anker (54; 160) fest angebracht ist, und dass die Ankerhülse (56; 162) eine zentrale Bohrung (58) aufweist, in der der Ventilkolben (14; 134) beweglich aufgenommen ist.
Durchflusssteuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflusssteuerventil einen Ventilsitz (50; 152) umfasst, der an dem Gehäuse (24; 142) für einen Dichtungseingriff mit der Ventileinrichtung (48; 150) ausgebildet ist, wobei das Überhubvorspannmittel (60; 166) axial zwischen dem Ventilsitz (50; 152) und dem Anker (54; 160 angeordnet ist.
Durchflusssteuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überhubvorspannmittel eine Überhubvorspannfeder (60; 166) umfasst, die sich um den Ventilkolben (14; 134) herum erstreckt.
Durchflusssteuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Überhubvorspannfeder (60; 166) am Halter (61; 164) anliegt.
Durchflusssteuerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende der Überhubvorspannfeder (60; 166) an der Ventilführung (47; 148) der Ventileinrichtung (48; 150) anliegt.
Durchflusssteuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (61; 164) zumindest einen Teil des Ventilkolbens (14; 134) umgibt.
Durchflusssteuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (48; 150) ein Kugelventil (48; 150;) umfasst.
Durchflusssteuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (24; 142) einen Aussparungshohlraum (46; 146) zum Aufnehmen des Ankers (54; 160) umfasst, wobei der Aussparungshohlraum (46; 146) eine innere Bodenfläche (25) umfasst.
Durchflusssteuerventil nach den Ansprüchen 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende der Überhubvorspannfeder (60; 166) an der inneren Bodenfläche (25) des Aussparungshohlraums (46; 146) anliegt.
Durchflusssteuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federscheibe (55) und/oder ein Magnetspulen-Abstandhalter (57) vorgesehen ist, dazu ausgelegt, einen Hubabstand (S) zu steuern, um den der Anker (54; 160) bewegt wird, wenn die Magnetspulenanordnung (30; 138) gespeist wird, um den Ventilkolben (14; 134) zurückzuziehen.