DE102013222874A1

DE102013222874A1 - Ventileinrichtung

Info

Publication number: DE102013222874A1
Application number: DE201310222874
Authority: DE
Inventors: Jochen Glasbrenner; Friedrich Howey; Udo Riegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung mit einem Hauptventil (22) und einem Vorsteuerventil (23), das einen Schließkörper (44) umfasst, der durch eine Magneteinrichtung mit einem Anker (50) betätigbar ist, um einen ersten Druckanschluss (11) der Ventileinrichtung (71) mit einem zweiten Druckanschluss (12) der Ventileinrichtung (71) zu verbinden. Um eine Ventileinrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist, ist der Anker (50) unter Zwischenschaltung einer Federeinrichtung so mit dem Schließkörper (44) des Vorsteuerventils (23) gekoppelt, dass eine begrenzte Bewegung des Ankers (50) ohne den Schließkörper (44) des Vorsteuerventils (23) ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung mit einem Hauptventil und einem Vorsteuerventil, das einen Schließkörper umfasst, der durch eine Magneteinrichtung mit einem Anker betätigbar ist, um einen ersten Druckanschluss der Ventileinrichtung mit einem zweiten Druckanschluss der Ventileinrichtung zu verbinden.
Stand der Technik
Bei der Ventileinrichtung handelt es sich zum Beispiel um ein Hauptstromventil in einem Hydraulikhybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. In dem Hydraulikhybridantriebsstrang ist wenigstens eine Hydraulikmaschine, die auch als Hydrostat bezeichnet wird, an den ersten Druckanschluss der Ventileinrichtung angeschlossen. Die Hydraulikmaschine kann direkt oder über weitere hier nicht angeführte Hydraulikkomponenten, in einem Sonderfall auch über eine weitere vergleichbare Ventileinrichtung, an den ersten Druckanschluss der Ventileinrichtung angeschlossen sein. An den zweiten Druckanschluss der Ventileinrichtung ist ein hydraulischer Druckspeicher angeschlossen. Der hydraulische Druckspeicher kann direkt oder über weitere hier nicht angeführte Hydraulikkomponenten an den zweiten Druckanschluss der Ventileinrichtung angeschlossen sein. Normalerweise ist der Druck in dem hydraulischen Druckspeicher, also am zweiten Druckanschluss, größer als an einem Ausgang der Hydraulikmaschine, also dem ersten Druckanschluss, der umgekehrte Fall ist jedoch genauso möglich, entsprechend der gewählten Betriebsstrategie des Hydraulikhybridantriebsstrangs. Durch Bestromen der Magneteinrichtung wird das Hauptventil über das Vorsteuerventil geöffnet, wobei ein Dichtelement aus seiner Schließstellung in eine Öffnungsstellung bewegt wird. Wenn die Magneteinrichtung nicht bestromt wird, dann ist das Dichtelement, zum Beispiel durch eine Schließfeder, in seine Schließstellung vorgespannt. Der umgekehrte Fall ist ebenfalls möglich.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventileinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe ist bei einer Ventileinrichtung mit einem Hauptventil und einem Vorsteuerventil, das einen Schließkörper umfasst, der durch eine Magneteinrichtung mit einem Anker betätigbar ist, um einen ersten Druckanschluss der Ventileinrichtung mit einem zweiten Druckanschluss der Ventileinrichtung zu verbinden, dadurch gelöst, dass der Anker unter Zwischenschaltung einer Federeinrichtung so mit dem Schließkörper des Vorsteuerventils gekoppelt ist, dass eine begrenzte Bewegung des Ankers ohne den Schließkörper des Vorsteuerventils ermöglicht wird. Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Hauptstromventil, das zum Beispiel in einem Hydraulikhybridantriebsstrang Anwendung findet. An dem zweiten Druckanschluss herrscht normalerweise ein höherer Druck als an dem ersten Druckanschluss. Durch Bestromung eines Elektromagneten der Magneteinrichtung kann der Schließkörper des Vorsteuerventils von einem Ventilsitz abgehoben werden, um einen Öffnungsquerschnitt des Vorsteuerventils freizugeben. Durch den damit verbundenen Druckabfall in einem zwischen dem zweiten Druckanschluss und dem ersten Druckanschluss angeordneten Steuerraum wird ein Öffnen des Hauptventils bewirkt, so dass mit Druck beaufschlagtes Fluid von dem zweiten Druckanschluss zu dem ersten Druckanschluss strömt. Die Erfindung betrifft insbesondere Ventileinrichtungen, bei denen ein Ventilkolben des Hauptventils gemäß einem sogenannten Folgekolbenprinzip mit dem Schließkörper des Vorsteuerventils gekoppelt ist. Die Erfindung ist aber, je nach Ausführungsbeispiel, auch im Zusammenhang mit Ventileinrichtungen anwendbar, die nicht gemäß dem Folgekolbenprinzip aufgebaut sind. Durch die Federeinrichtung wird der Anker im Rahmen eines begrenzten Ankerfreiwegs von dem Schließkörper des Vorsteuerventils entkoppelt. Die begrenzte Bewegung des Ankers innerhalb des Ankerfreiwegs ohne den Schließkörper kann durch eine relativ kleine Magnetkraft der Magneteinrichtung bewirkt werden. Nach dem Überwinden des Ankerfreiwegs kann durch die Magneteinrichtung eine größere Magnetkraft bereitgestellt werden, die ein sicheres und schnelles vollständiges Öffnen des Schließkörpers des Vorsteuerventils ermöglicht. Durch die zwischen Anker und Schließkörper geschaltete Federeinrichtung kann besonders vorteilhaft eine relativ große beziehungsweise starke Ankerfeder verwendet werden, die ein besonders schnelles Schließen des Hauptventils ermöglicht, wenn der Ventilkolben des Hauptventils nach dem Folgekolbenprinzip mit dem Schließkörper des Vorsteuerventils zusammenwirkt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper des Vorsteuerventils durch die Magneteinrichtung über den Anker relativ zu einer Steuerraumablauföffnung bewegbar ist, die in einem Ventilkolben des Hauptventils vorgesehen ist, der eine Steuerraumzulauföffnung aufweist. Bei der Ausführung der Ventileinrichtung gemäß dem Folgekolbenprinzip ist ein Steuerraum vorteilhaft, zumindest teilweise, innerhalb des Ventilkolbens des Hauptventils angeordnet. Über die Steuerraumzulauföffnung, die vorteilhaft mit einer Zulaufdrossel kombinierbar ist, gelangt mit Druck beaufschlagtes Medium in den Steuerraum. Über die vorzugsweise gedrosselte Zulaufverbindung wird erreicht, dass in dem Steuerraum bei geschlossenem Ventil der gleiche Druck wie an dem zweiten Druckanschluss herrscht. Über die Steuerraumablauföffnung, die vorteilhaft mit einer Steuerraumablaufdrossel kombiniert ist, kann der Druck in dem Steuerraum, der auch als Steuerraumdruck bezeichnet wird, gezielt abgebaut werden, um das Hauptventil zu öffnen. Dabei wird der Steuerraumdruck über die Steuerraumablauföffnung vorzugsweise zum ersten Druckanschluss hin abgebaut, an dem vorzugsweise ein kleinerer Druck als an dem zweiten Druckanschluss herrscht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumzulauföffnung relativ kurz ist und einen relativ großen Drosselquerschnitt aufweist, um bei geringen Druckdifferenzen und/oder hohen Viskositäten ein schnelles Öffnen und Schließen des Hauptventils zu ermöglichen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die vorzugsweise als Drossel ausgeführte Steuerraumzulauföffnung strömungstechnisch optimiert. Dadurch kann das Schaltverhalten der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung erheblich verbessert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumzulauföffnung eine kürzere Länge als der Durchmesser der Steuerraumzulauföffnung aufweist. Die Steuerraumzulauföffnung ist vorzugsweise als Bohrung ausgeführt. Die Zulauföffnung oder Zulaufbohrung hat eine Länge, die vorzugsweise etwa der Hälfte des Drosseldurchmessers entspricht. Dieses Verhältnis zwischen Länge und Drosseldurchmesser der Steuerraumzulauföffnung hat sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen und Untersuchungen als idealer Kompromiss erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließkraft auf den Schließkörper des Vorsteuerventils einwirkt, welche die Summe der hydraulischen Kraft und der Ankerfederschließkraft ist, so dass die Schließkraft bei hohen Druckdifferenzen, von zum Beispiel mehr als zehn bar, hydraulisch dominiert wird, wobei die Schließkraft auf den Schließkörper des Vorsteuerventils bei geringen Druckdifferenzen, von zum Beispiel weniger als fünf bar, von der Ankerfederschließkraft dominiert wird. Beim Öffnen der Ventileinrichtung überdrückt der Ventilkolben des Hauptventils die Ankerfederkraft des Vorsteuerventils. Die Ankerfederkraft kann relativ gering gewählt werden. Demzufolge werden nur geringe Kräfte benötigt, um den Ventilkolben des Hauptventils zu öffnen. Daher reicht zum Öffnen des Ventilkolbens eine minimale Druckdifferenz. Da der Ventilkolben des Hauptventils nur mit einer geringen Kraft in seiner Schließstellung gehalten wird, ist der zum Öffnen des Hauptventilkolbens benötigte Öffnungsdruck ebenfalls sehr gering.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil bei einer passiven Durchströmung, wenn der Druck an dem ersten Druckanschluss größer als an dem zweiten Druckanschluss ist, mit Strom offen gehalten wird. Die zum Offenhalten des Hauptventilkolbens notwendige Kraft ist gering. Jedoch ist die erforderliche Magnetkraft von der Kraft der komprimierten Ankerfeder abhängig, also vom Hub und der Steifigkeit der Ankerfeder.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anker über eine mechanische Mitnehmereinrichtung mit dem Schließkörper des Vorsteuerventils gekoppelt ist. Die mechanische Mitnehmereinrichtung dient vorteilhaft dazu, nach dem Überwinden des Ankerfreiwegs eine Mitnahme des Schließkörpers mit dem Anker zu ermöglichen.
Nach dem Überwinden des Ankerfreiwegs ist die Öffnungsbewegung des Schließkörpers mit der Bewegung des Ankers gekoppelt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmereinrichtung mit einem ersten Ende an dem Anker befestigt ist, und mit einem zweiten Ende einen Anschlag für die Federeinrichtung und einen Anschlag für ein Ankerteil darstellt, das mit dem Schließkörper des Vorsteuerventils kombiniert und relativ zu dem Anker bewegbar ist. Über die Befestigung der Mitnehmereinrichtung an dem Anker wird sichergestellt, dass die Mitnehmereinrichtung die Bewegungen des Ankers mitmacht. Über den zweiten Anschlag wird eine Vorspannkraft der Federeinrichtung in die Mitnehmereinrichtung eingeleitet. Der Schließkörper des Vorsteuerventils ist vorzugsweise an einem dem Anker abgewandten Ende des Ankerteils befestigt. Die Befestigung des Schließkörpers, zum Beispiel einer Schließkugel, des Vorsteuerventils an dem Ankerteil kann zum Beispiel durch Bördeln erfolgen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung zwischen dem zweiten Ende der Mitnehmereinrichtung und dem Ankerteil eingespannt ist. Das zweite Ende der Mitnehmereinrichtung kann zum Beispiel Mitnehmerklauen umfassen, die von einem hülsenartigen Grundkörper der Mitnehmereinrichtung abgewinkelt sind. Die Federeinrichtung ist zum Beispiel zwischen solchen Mitnehmerklauen und einem Absatz eingespannt, der an dem Ankerteil vorgesehen ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben des Hauptventils mindestens eine dem ersten Druckanschluss zugeordnete erste Steuerraumzulauföffnung und mindestens eine dem zweiten Druckanschluss zugeordnete zweite Steuerraumzulauföffnung aufweist. Über die erste Steuerraumzulauföffnung gelangt mit Druck beaufschlagtes Medium von dem ersten Druckanschluss in den Steuerraum, wenn der Druck am ersten Druckanschluss größer als am zweiten Druckanschluss ist. Über die zweite Steuerraumzulauföffnung gelangt mit Druck beaufschlagtes Medium in den Steuerraum, wenn der Druck an dem zweiten Druckanschluss größer als an dem ersten Druckanschluss ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben des Hauptventils mindestens eine dem ersten Druckanschluss zugeordnete erste Steuerraumablauföffnung und mindestens eine dem zweiten Druckanschluss zugeordnete zweite Steuerraumablauföffnung aufweist. Eine Ausführung der Ventileinrichtung mit mindestens zwei Steuerraumzulauföffnungen und mindestens zwei Steuerraumablauföffnungen ermöglicht auf einfache Art und Weise, dass der Ventilkolben des Hauptventils in einem aktivierten oder bestromten Zustand der Magneteinrichtung beidseitig beziehungsweise in entgegengesetzten Strömungsrichtungen zwischen den beiden Druckanschlüssen durchströmt werden kann. Dieser Aspekt der Erfindung betrifft Ventileinrichtungen, die nach dem Folgekolbenprinzip arbeiten genauso wie Ventileinrichtungen, die nicht nach dem Folgekolbenprinzip arbeiten.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumzulauföffnungen und/oder die Steuerraumablauföffnungen eine Rückschlagventilfunktion aufweisen. Zu diesem Zweck sind die vorzugsweise gedrosselten Steuerraumzulauföffnungen und Steuerraumablauföffnungen jeweils mit einem Rückschlagkörper, wie einer Rückschlagkugel, kombiniert, die zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung begrenzt verlagerbar ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung als Hauptstromventil für einen Hydraulikhybridantriebsstrang ausgeführt ist. Der Hydraulikhybridantriebsstrang umfasst mindestens eine Hydraulikmaschine, die auch als Hydrostat bezeichnet wird. Vorteilhaft umfasst der Hydraulikhybridantriebsstrang zwei Hydraulikmaschinen, die auch als Hydrostaten bezeichnet werden. An einen Ausgang der Hydraulikmaschine beziehungsweise der Hydraulikmaschinen ist ein hydraulischer Druckspeicher angeschlossen. Zwischen den Ausgang des Hydrostaten und den hydraulischen Druckspeicher ist die erfindungsgemäße Ventileinrichtung geschaltet. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer vorab beschriebenen Ventileinrichtung. Die Erfindung betrifft des Weiteren gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Ventileinrichtung als Hauptstromventil in einem Hydraulikhybridantriebsstrang.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Vorsteuerventil, ein Hauptventil, einen Schließkörper, einen Anker, ein Ankerteil, eine Mitnehmereinrichtung und/oder einen Ventilkolben für eine vorab beschriebene Ventileinrichtung. Die genannten Teile sind gegebenenfalls separat handelbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 einen Hydraulikschaltplan einer Ventileinrichtung mit einem Hauptventil und einem Vorsteuerventil;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Ventileinrichtung mit einem Hauptventil und einem Vorsteuerventil gemäß dem Folgekolbenprinzip im Längsschnitt;
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 mit strömungsoptimierten Drosseln;
4 den gleichen Ausschnitt wie in 3 gemäß einem sogenannten „double-lock“ Konzept;
5 eine ähnliche Darstellung wie in 2 mit einem Hauptventil und einem Vorsteuerventil nicht gemäß dem Folgekolbenprinzip und mit strömungsoptimierten Drosseln und einer Funktion wie das Hauptstromventil aus 4 und
6 einen Ventilkolben in einem Ventilgehäuse der Ventileinrichtung aus 4 im Querschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 bis 4 ist eine Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 umfasst ein Hauptventil 2; 22; 102, das je nach Ausführung auch als Rückschlagventil funktioniert, und ein Vorsteuerventil 3; 23; 103.
Das Hauptventil 2 umfasst, wie man in 1 sieht, ein in einem Gehäuse 4; 25; 105 in axialer Richtung hin und her bewegbar geführtes Dichtelement 6. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Längsachse 7 der Ventileinrichtung 1. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Längsachse 7. Das Dichtelement 6 ist durch eine Schließfeder 8 in seine in 1 dargestellte Schließstellung vorgespannt.
In seiner Schließstellung unterbricht das Dichtelement 6 eine hydraulische Verbindung zwischen einem ersten Druckanschluss 11 und einem zweiten Druckanschluss 12. Der erste Druckanschluss 11 der Ventileinrichtung 1 ist über eine erste Drosselverbindung 15 an das Vorsteuerventil 3 angeschlossen. Dabei ist das Vorsteuerventil 3 zwischen die erste Drosselverbindung 15 und einen Steuerraum 10 der Ventileinrichtung 1 geschaltet. Der zweite Druckanschluss 12 der Ventileinrichtung 1 ist über eine zweite Drosselverbindung 16 mit dem Steuerraum 10 verbunden.
Die Ventileinrichtung 1 mit den beiden Anschlüssen 11 und 12 ist als Hauptstromventil in einem Hydraulikhybridantriebsstrang (nicht dargestellt) ausgeführt. Der nicht dargestellte Hydraulikhybridantriebsstrang umfasst einen verbrennungsmotorischen Antrieb und einen hydraulischen Antrieb. Der verbrennungsmotorische Antrieb ist zum Beispiel als Brennkraftmaschine ausgeführt und wird auch als Verbrennungsmotor bezeichnet. Der hydraulische Antrieb umfasst zum Beispiel zwei Hydraulikmaschinen, die auch als Hydrostaten bezeichnet werden.
Die beiden Hydrostaten oder Hydraulikmaschinen können vorteilhaft sowohl als hydraulische Pumpe als auch als hydraulischer Motor betrieben werden. Dabei können die beiden Hydraulikmaschinen zum Beispiel als hydraulische Axialkolbenmaschinen ausgeführt sein. Die beiden Hydraulikmaschinen sind über ein Hydrauliksystem hydraulisch miteinander verbindbar beziehungsweise verbunden. Das Hydrauliksystem umfasst mindestens ein Hauptstromventil, das durch die Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 dargestellt wird.
Das Hauptstromventil 1; 21; 71; 101 ist in dem Hydraulikhybridantriebsstrang zwischen einen Ausgang einer der Hydraulikmaschinen und einen hydraulischen Druckspeicher geschaltet. Vorteilhaft ist jeweils ein Hauptstromventil zwischen die Ausgänge der Hydraulikmaschinen und den hydraulischen Druckspeicher geschaltet. Dabei ist der Ausgang der Hydraulikmaschinen beziehungsweise des Hydrostaten an den ersten Druckanschluss 11 der Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 angeschlossen. An den zweiten Druckanschluss 12 der Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 ist der hydraulische Druckspeicher angeschlossen.
Normalerweise ist der Druck, der in dem hydraulischen Druckspeicher herrscht, größer als der Druck am Ausgang des Hydrostaten, der auch als hydraulische Maschine bezeichnet wird. Durch Öffnen der Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 wird der hydraulische Druckspeicher mit dem Eingang oder Ausgang der an die Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 angeschlossenen hydraulischen Maschine verbunden, und umgekehrt. Bei geöffneter Ventileinrichtung kann die an die Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 angeschlossene Hydraulikmaschine aus dem Druckspeicher hydraulisch angetrieben werden. Des Weiteren kann der Druckspeicher bei geöffneter Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 hydraulisch durch die an die Ventileinrichtung 1; 21; 71; 101 angeschlossene hydraulische Maschine aufgeladen werden.
Das Hauptventil 2; 22 wird auch als Hauptstromventil bezeichnet. Das Vorsteuerventil 3; 23 wird auch Pilotventil bezeichnet. Das Hauptventil 2 mit dem Hauptkolben oder Dichtelement 6 kann bei großem Hauptventilhub große Volumenströme nahezu verlustfrei schalten. Normalerweise ist der Druck am zweiten Druckanschluss 12, der über die zweite Drosselverbindung 16 auch in dem Steuerraum 10 herrscht, größer als der Druck am ersten Druckanschluss 11.
Über das Vorsteuerventil 3 kann der Druck im Steuerraum 10 auf ein Druckniveau abgesenkt werden, das zwischen dem Druck am zweiten Druckanschluss 12 und dem Druck am ersten Druckanschluss 11 liegt. Die Kräftebilanz der auf das Dichtelement 6 wirkenden hydraulischen Kräfte ist so ausgelegt, dass das Hauptventil 2 bei der Absenkung des Drucks im Steuerraum 10 durch das Vorsteuerventil 3 eine öffnende Kraft auf das Dichtelement 6 erzeugt.
In 2 ist eine Ventileinrichtung 21 mit einem Hauptventil 22 und einem Vorsteuerventil 23 gemäß dem Folgekolbenprinzip im Längsschnitt dargestellt. Die Ventileinrichtung 21 umfasst ein Ventilgehäuse 25 mit einem ersten Druckanschluss 11 und einem zweiten Druckanschluss 12, wie bei der in 1 dargestellten Ventileinrichtung 1.
Das Ventilgehäuse oder Polrohr 25 umfasst einen Gehäusekörper 26 und einen Gehäusekörper oder Polrohrkörper 27. Die beiden Gehäusekörper 26, 27 sind druckdicht verbaut. Zwischen den beiden Gehäusekörpern 26, 27 ist eine Einstellscheibe 28 eingespannt, die einen Hub des Hauptventils 22 begrenzt. Das Hauptventil 22 umfasst einen Ventilkolben 30, der an seinem unteren Ende 31 eine Dichtfläche aufweist, die zur Darstellung eines Ventilsitzes 32 an einer Dichtkante des Gehäusekörpers 26 dichtend anliegt. In 2 ist der Ventilsitz 32 geschlossen.
Wenn der Ventilkolben 30 mit seiner Dichtfläche von der Dichtkante des Gehäusekörpers 26 abhebt, wird der Ventilsitz 32 geöffnet. Bei geöffnetem Ventilsitz 32 (nicht dargestellt) wird eine direkte Verbindung zwischen den beiden Druckanschlüssen 11 und 12 freigegeben. Diese Verbindung ist bei geschlossenem Ventilsitz 32 unterbrochen.
Der Ventilkolben 30 ist zur Darstellung der Öffnungsbewegung und der Schließbewegung in axialer Richtung, das heißt in 2 nach oben und nach unten, bewegbar. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Längsachse 33 der Ventileinrichtung 21.
Der Ventilkolben 30 weist ein sich in radialer Richtung, das heißt quer zur Längsachse 33, erstreckendes Durchgangsloch 34 auf, das den zweiten Druckanschluss 12 mit einem Steuerraum 35 im Inneren des Ventilkolbens 30 verbindet. Das Durchgangsloch 34 stellt eine gedrosselte Steuerraumzulauföffnung dar und wird daher auch als Zulaufdrossel bezeichnet.
Ein Durchgangsloch 37 erstreckt sich in axialer Richtung durch den Ventilkolben 30 und stellt eine gedrosselte Steuerraumablauföffnung dar. Daher wird das Durchgangsloch 37 auch als Ablaufdrossel bezeichnet.
Das Durchgangsloch 37 dient zur Darstellung eines Ventilsitzes 40 des Vorsteuerventils 23. Das Durchgangsloch 37 ist durch einen Rückschlagventilkörper, vorzugsweise in Form einer Rückschlagkugel, 41 in 2 von unten verschließbar. Eine Bewegung des Rückschlagventilkörpers 41 in 2 nach unten wird durch eine Hülse 42 begrenzt.
Nach oben ist das Durchgangsloch 37 in 2 durch einen Schließkörper 44 verschlossen. Der Schließkörper 44 stellt zusammen mit dem Durchgangsloch 37 den Ventilsitz 40 des Vorsteuerventils 23 dar. Der Schließkörper 44 ist an einem in 2 unteren Ende eines Dichtelements 45 des Vorsteuerventils 23 befestigt, zum Beispiel durch eine Bördelverbindung.
Das Dichtelement 45 stellt ein Ankerteil 48 dar, das relativ zu einem Anker 50 in axialer Richtung begrenzt bewegbar ist. Der Anker 50 ist durch eine Ankerfeder 52 in 2 nach unten vorgespannt. Durch die Vorspannkraft der Ankerfeder 52 wird der über das Ankerteil 48 und den Schließkörper 44 mit dem Anker 50 gekoppelte Ventilkolben 30 in seine dargestellte Schließstellung bewegt beziehungsweise in der dargestellten Schließstellung gehalten, wenn eine dem Anker 50 zugeordnete Magneteinrichtung nicht bestromt ist.
Als Folgekolbenprinzip wird eine Folgebewegung des Ventilkolbens 30 des Hauptventils 22 beim Öffnen verstanden, nachdem der Anker 50 und das Ankerteil 48 abgehoben haben. Dabei wird das eine Ablaufdrossel darstellende Durchgangsloch 37 über den Öffnungsquerschnitt zweier bewegbarer Bauelemente, nämlich den Ventilkolben 30 und den Schließkörper 44, definiert. Beim Folgekolbenprinzip gibt es keinen festen Ventilsitz, wie er zum Beispiel bei dem in 5 dargestellten Hauptstromventil vorhanden ist.
Ein Problem bei herkömmlichen Ventileinrichtungen, die nach dem Folgekolbenprinzip arbeiten, besteht darin, dass die herkömmlichen Ventileinrichtungen bei verschwindend kleinen Druckdifferenzen und/oder hohen Viskositäten viel zu langsam schließen oder bei relativ geringen zusätzlichen Reibungskräften durch ein unerwünschtes Verklemmen gar nicht schließen, sondern offen bleiben. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Ventileinrichtung, insbesondere durch die Verwendung von deutlich größeren und zusätzlich strömungsoptimierten Drosseln, kann gemäß einem Aspekt der Erfindung ein viel schnelleres Öffnen und Schließen des Hauptventils bei geringen Druckdifferenzen, von zum Beispiel weniger als zwei bar und/oder bei hohen Viskositäten ermöglicht werden.
An dem in 2 unteren Ende des Ankerteils 48 ist der Schließkörper 44 befestigt. Das in 2 obere Ende des Ankerteils 48 weist einen Bund 54 auf. In axialer Richtung zwischen dem Bund 54 und dem Schließkörper 44 weist das Ankerteil 48 einen Absatz 55 auf.
Das Ankerteil 48 beziehungsweise das Dichtelement 45 ist über eine Mitnehmereinrichtung 60 mit dem Anker 50 gekoppelt. Die Mitnehmereinrichtung 60 ist als Mitnehmerhülse ausgeführt, die mit einem ersten Ende 61, dem in 2 oberen Ende, fest mit dem Anker 50 verbunden ist. Ein zweites Ende 62, das in 2 untere Ende, der Mitnehmereinrichtung 60 weist radial nach innen umgebogene Mitnehmerklauen auf, die einen Anschlag für das Ankerteil 48, insbesondere den Absatz 55 des Ankerteils 48, darstellen.
Eine Federeinrichtung 64 ist in axialer Richtung zwischen den Mitnehmerklauen am zweiten Ende 62 der Mitnehmereinrichtung 60 und dem Bund 54 des Ankerteils 48 beziehungsweise Dichtelements 45 vorgespannt. Wenn die Magneteinrichtung (nicht dargestellt) der Ventileinrichtung 21 bestromt wird, dann wird der Anker 50 entgegen der Vorspannkraft der Ankerfeder 52, in 2 nach oben, gezogen.
Bei entsprechender Druckdifferenz zwischen dem zweiten Druckanschluss 12 und dem ersten Druckanschluss 11 wird der Schließkörper 44 des Vorsteuerventils 23 in seiner dargestellten Schließstellung gehalten. Durch die feste Verbindung zwischen dem Schließkörper 44 und dem Ankerteil 48 verbleibt das Ankerteil 48 zunächst ebenfalls in seiner dargestellten Schließstellung.
Die Mitnehmereinrichtung 60 bewegt sich dann zusammen mit dem Anker 50 entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung 64 in 2 nach oben, bis das zweite Ende 62 der Mitnehmereinrichtung 60 an dem Absatz 55 des Ankerteils 48 anschlägt. Diese Bewegung des Ankers 50 ohne das Ankerteil 48 wird auch als Ankerfreiweg bezeichnet.
Bei einer weiteren Bewegung des Ankers 50 nach oben sorgt die Mitnehmereinrichtung 60 dafür, dass das Ankerteil 48 mit nach oben bewegt wird, so dass der Schließkörper 44 aus dem Ventilsitz 40 gerissen wird. Das damit verbundene Öffnen in der Ablaufdrossel 37 führt dazu, dass der Ventilkolben des Hauptventils 22 öffnet.
Das Schließen des Hauptventils 22 wird durch eine Unterbrechung der Bestromung des Vorsteuerventils 23 ausgelöst. Die Ankerfeder 52 und die Federeinrichtung 64 bringen den Anker 50 und das Ankerteil 48 in die Schließstellung. Dann schließt der Ventilkolben 30 des Hauptventils 22 druckabhängig.
In 3 ist eine ähnliche Ventileinrichtung 71 wie in 2 ausschnittsweise im Längsschnitt vergrößert dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 2 verwiesen. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den in den 2 und 3 dargestellten Ventileinrichtungen 21 und 71 eingegangen.
In 3 sieht man, dass das eine Zulaufdrossel bildende Durchgangsloch 34 zur Darstellung einer Rückschlagventilfunktion mit einem Rückschlagventilkörper 36 ausgestattet ist. Durch Pfeile 91, 93, 94 und 95 ist der normale Abströmpfad angedeutet, wenn der Druck am zweiten Druckanschluss 12 größer als am ersten Druckanschluss 11 ist. Für den umgekehrten Fall, wenn also der Druck am ersten Druckanschluss 11 größer als am zweiten Druckanschluss 12 ist, verschließen die Rückschlagventilkörper 41 und 36 die Durchgangslöcher 37 und 34.
Der in 3 dargestellte Ventilkolben 30 des Hauptventils weist gegenüber dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine viel kleinere Führungslänge in dem Ventilgehäuse 25 auf. Durch einen Doppelpfeil 70 ist der Hub des Ventilkolbens 30 angedeutet.
In 4 ist eine ähnliche Ventileinrichtung 71 wie in 2 ausschnittsweise im Längsschnitt vergrößert dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 2 verwiesen.
Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den in den 2 und 4 dargestellten Ventileinrichtungen 21 und 71 eingegangen.
In 4 umfasst der Ventilkolben 30 eine erste Steuerraumzulauföffnung 72 und eine zweite Steuerraumzulauföffnung 73. Die erste Steuerraumzulauföffnung 72 verbindet den ersten Druckanschluss 11 mit dem Steuerraum 35. Die zweite Steuerraumzulauföffnung 73 verbindet den zweiten Druckanschluss 12 mit dem Steuerraum 35. Der Hub des Ventilkolbens 30 ist durch einen Doppelpfeil 70 angedeutet. Die in 4 dargestellte Ventileinrichtung 71 entspricht dem so genannten "double-lock" Konzept.
Der Ventilkolben 30 umfasst des Weiteren eine erste Steuerraumablauföffnung 74 und eine zweite Steuerraumablauföffnung 75. Die erste Steuerraumablauföffnung 74 verbindet den Steuerraum 35 mit dem ersten Druckanschluss 11. Die zweite Steuerraumablauföffnung 75 verbindet den Steuerraum 35 mit dem zweiten Druckanschluss 12. Die Steuerraumablauföffnungen 74 und 75 sind durch den Schließkörper 44 des Vorsteuerventils 23 verschließbar. Das heißt, bei geschlossenem Vorsteuerventil 23 sind die Steuerraumablauföffnungen 74 und 75 beide geschlossen.
Den Steuerraumzulauföffnungen 72 und 73 ist zur Darstellung von Rückschlagventilen jeweils ein Rückschlagventilkörper 76, 77 zugeordnet. Den Steuerraumablauföffnungen 74, 75 ist zur Darstellung von Rückschlagventilen jeweils ein Rückschlagventilkörper 78, 79 zugeordnet.
Durch Pfeile 81 bis 86 und 91 bis 95 sind zwei Abströmpfade bei geöffnetem Vorsteuerventil 23 (geschlossen dargestellt) angedeutet. Der Abströmpfad 81 bis 86 ist geöffnet, wenn der Druck am ersten Druckanschluss 11 größer als am zweiten Druckanschluss 12 ist. Der Abströmpfad 91 bis 95 ist geöffnet, wenn der Druck am zweiten Druckanschluss 12 größer als am ersten Druckanschluss 11 ist. Von den insgesamt vier Rückschlagventilen werden jeweils ein Rückschlagventil einer Steuerraumzulauföffnung 72, 73 und ein Rückschlagventil einer Steuerraumablauföffnung 74, 75 im Abströmpfad durchströmt, während die anderen beiden Rückschlagventile geschlossen sind.
In 5 ist eine ähnliche Ventileinrichtung 101 wie in 2 mit einem Hauptventil 102 und einem Vorsteuerventil 103 im Längsschnitt dargestellt. Die Ventileinrichtung 101 umfasst ein Ventilgehäuse 105, in welchem ein Ventilkolben 110 des Hauptventils 102 unabhängig von dem Vorsteuerventil 103 in axialer Richtung hin und her bewegbar ist. Ein unteres Ende 111 des Ventilkolbens 110 dient zur Darstellung eines Ventilsitzes 112 des Hauptventils 102. Ein Ventilsitz 120 des Vorsteuerventils 103 ist durch einen Schließkörper 121 verschlossen. Der Schließkörper 121 kann mit Hilfe eines Ankers 122 von dem Ventilsitz 120 abgehoben werden. Die in 4 dargestellte Ausführungsvariante arbeitet nicht nach dem Folgekolbenprinzip, liefert aber ansonsten die gleichen Vorteile, wie die in 4 dargestellte Ausführungsvariante.
Der Ventilkolben 110 umfasst ein Durchgangsloch 124, das den zweiten Druckanschluss 12 mit dem Steuerraum in dem Ventilkolben 110 verbindet. Ein Durchgangsloch 125 in einem Gehäusekörper 126 verbindet den Steuerraum über das geöffnete Vorsteuerventil 103 mit dem ersten Druckanschluss 11. Der Ventilkolben 110 umfasst ein Durchgangsloch 131, das den ersten Druckanschluss 11 mit dem Steuerraum verbindet.
Ein Durchgangsloch 132 dient zur Darstellung einer zusätzlichen Ablaufdrossel. Ein Durchgangsloch 138 stellt ebenfalls eine zusätzliche Ablaufdrossel dar. Ein Durchgangsloch 139 dient zur Darstellung einer Rückschlagventilfunktion mit einer Rückschlagventilkugel 137. Dem Durchgangsloch 131 ist ein Rückschlagventilkörper 134 zugeordnet. Dem Durchgangsloch 132 ist ein Rückschlagventilkörper 135 zugeordnet. Dem Durchgangsloch 138 ist ein Rückschlagventilkörper 136 zugeordnet.
Durch Pfeile 140 bis 145 ist ein Abströmpfad angedeutet, der bei geöffnetem Vorsteuerventil 103 durchströmt wird, wenn der Druck am zweiten Druckanschluss 12 größer als am ersten Druckanschluss 11 ist. Durch Pfeile 146 bis 149 ist ein Ablaufströmungspfad angedeutet, der bei geöffnetem Vorsteuerventil 103 durchströmt wird, wenn der Druck am ersten Druckanschluss 11 größer als am zweiten Druckanschluss 12 ist.
In 6 ist am Beispiel eines im Querschnitt dargestellten Ventilkolbens 150 dargestellt, wie am Umfang des Ventilkolbens 150 drei Rückschlagventile 151, 152 und 153 realisiert werden können. Die Rückschlagventile 151 bis 153 sind gleichmäßig über einen äußeren Umfang des Ventilkolbens 150 verteilt.

Claims

Ventileinrichtung mit einem Hauptventil (2; 22; 102) und einem Vorsteuerventil (3; 23; 103), das einen Schließkörper (44; 121) umfasst, der durch eine Magneteinrichtung mit einem Anker (50; 122) betätigbar ist, um einen ersten Druckanschluss (11) der Ventileinrichtung (1; 71; 101) mit einem zweiten Druckanschluss (12) der Ventileinrichtung (1; 71; 101) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (50; 122) unter Zwischenschaltung einer Federeinrichtung (64) so mit dem Schließkörper (44; 121) des Vorsteuerventils (23; 103) gekoppelt ist, dass eine begrenzte Bewegung des Ankers (50; 122) ohne den Schließkörper (44; 121) des Vorsteuerventils (23; 103) ermöglicht wird.
Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (44; 121) des Vorsteuerventils (23; 103) durch die Magneteinrichtung über den Anker (50; 122) relativ zu einer Steuerraumablauföffnung (37; 125) bewegbar ist, die in einem Ventilkolben (30; 110) des Hauptventils (22; 102) vorgesehen ist, der eine Steuerraumzulauföffnung (34; 124) aufweist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumzulauföffnung (34; 124) relativ kurz ist und einen relativ großen Drosselquerschnitt aufweist, um bei geringen Druckdifferenzen und/oder hohen Viskositäten ein schnelles Öffnen und Schließen des Hauptventils (22; 102) zu ermöglichen.
Ventileinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumzulauföffnung (34; 124) eine Länge aufweist, die etwa einer Hälfte des Drosseldurchmessers entspricht.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließkraft auf den Schließkörper (44; 121) des Vorsteuerventils (23; 103) einwirkt, welche die Summe der hydraulischen Kraft und der Ankerfederschließkraft ist, so dass die Schließkraft bei hohen Druckdifferenzen, von zum Beispiel mehr als zehn bar, hydraulisch dominiert wird, wobei die Schließkraft auf den Schließkörper (44; 121) des Vorsteuerventils (23; 103) bei geringen Druckdifferenzen, von zum Beispiel weniger als fünf bar, von der Ankerfederschließkraft dominiert wird.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (22; 102) bei einer passiven Durchströmung, wenn der Druck an dem ersten Druckanschluss (11) größer als an dem zweiten Druckanschluss (12) ist, mit Strom offen gehalten wird.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (50; 122) über eine mechanische Mitnehmereinrichtung (60) mit dem Schließkörper (44) des Vorsteuerventils (23) gekoppelt ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmereinrichtung (60) mit einem ersten Ende (61) an dem Anker (50) befestigt ist, und mit einem zweiten Ende (62) einen Anschlag für die Federeinrichtung (64) und einen Anschlag für ein Ankerteil (48) darstellt, das mit dem Schließkörper (44) des Vorsteuerventils (23) kombiniert und relativ zu dem Anker (50) bewegbar ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (64) zwischen dem zweiten Ende (62) der Mitnehmereinrichtung (60) und dem Ankerteil (48) eingespannt ist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (30; 110) des Hauptventils (22; 102) mindestens eine dem ersten Druckanschluss (11) zugeordnete erste Steuerraumzulauföffnung (72) und mindestens eine dem zweiten Druckanschluss (12) zugeordnete zweite Steuerraumzulauföffnung (73) aufweist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (30; 110) des Hauptventils (22; 102) mindestens eine dem ersten Druckanschluss (11) zugeordnete erste Steuerraumablauföffnung (74) und mindestens eine dem zweiten Druckanschluss (12) zugeordnete zweite Steuerraumablauföffnung (75) aufweist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerraumzulauföffnungen (72, 73) und/oder die Steuerraumablauföffnungen (74, 75) eine Rückschlagventilfunktion aufweisen.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (21; 71; 101) als Hauptstromventil für einen Hydraulikhybridantriebsstrang ausgeführt ist.
Vorsteuerventil (23; 103), Hauptventil (2; 22; 102), Schließkörper (44; 121), Anker (50; 122), Ankerteil (48), Mitnehmereinrichtung (60) und/oder Ventilkolben (30; 110) für eine Ventileinrichtung (1; 21; 71; 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Ventileinrichtung (1; 21; 71; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.