DE69427655T2

DE69427655T2 - Druckausgeglichenes Dreiwege-Magnetventil

Info

Publication number: DE69427655T2
Application number: DE69427655T
Authority: DE
Inventors: Mark S. Cavanagh; Bela Doszpoly; John D. Lane; Arpad M. Pataki; Columbus Shields Kent V.; Bryan W. Swank
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2014-03-18
Also published as: EP0621426B1; DE69413288T2; JP2675976B2; EP0816733B1; US5396926A; EP0621426A1; DE69413288D1; DE69427655D1; JPH0771641A; BR9401226A; EP0816733A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kraftausgeglichenes, magnetisch betätigtes Dreiwegeventil und insbesondere ein kraftausgeglichenes, magnetisch betätigtes Dreiwegeventil, das zur Bewältigung sehr hoher Drücke (z. B. über 34,5-206,8 MPa [5.000-30.000 psi]) mit extrem rascher Ansprechzeit (z. B. 200-400 usec) ausgebildet ist. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung druckausgeglichene Dreiwegeventilanordnungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dreiwegemagnetventile werden seit langem zur Regulierung eines Fluidstroms bei einer Vielzahl von Luft- und Hydrauliksystemen, insbesondere Kraftstoffsystemen, verwendet. Solche Dreiwegemagnetventile regulieren häufig den Durchfluß von Fluid unter hohem Druck von einer Quelle zu einer Lastvorrichtung und unterbrechen den Strom an unter Druck stehendem Fluid (Druckfluidstrom) wahlweise bzw. selektiv, während sie gleichzeitig die Lastvorrichtung mit einem im wesentlichen drucklosen Auslauf verbinden. Für gewöhnlich enthält ein Dreiwegeventil ein Ventilgehäuse mit einem ersten, zweiten und dritten Ventildurchlaß, die durch eine innere Ventilkammer miteinander verbunden sind, welche zwei Ventilsitze und ein Ventilelement enthält, das zur Regulierung des Fluidstroms zwischen den drei Ventildurchlässen beweglich ist, indem es bewegt wird zwischen
einer ersten Position, in welcher das bewegliche Ventilelement mit einem ersten der Ventilsitze in Eingriff steht, um einen ersten der Ventildurchlässe von der Innenkammer zu trennen, während eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Ventildurchlaß durch den zweiten Ventilsitz und die Innenkammer möglich ist, und
einer zweiten Position, in welcher das bewegliche Ventilelement mit dem zweiten Ventilsitz in Eingriff steht, um einen zweiten der Ventildurchlässe abzutrennen, während eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem dritten Ventildurchlaß durch den ersten Ventilsitz und die Innenkammer möglich ist.
Bei Dreiwegeventilen nach dem Stand der Technik und insbesondere bei federbelasteten, magnetisch betätigten Ventilen ist für gewöhnlich eine relativ große Magnetkraft erforderlich, wenn das Ventil zur Regulierung von Hochdruckfluiden verwendet wird, um den Federdruck zu überwinden, der notwendig ist, um das Ventil in einer Ausgangsposition vor dem Einschalten des Magnetventils zu halten. Zur Bereitstellung einer angemessenen Magnetkraft ist häufig ein relativ großer, schwerer und teurer Elektromagnet erforderlich.
Wie in der US-A-2.601.989 offenbart, kann die Dreiwegeventilfunktion verbessert werden, wenn das bewegliche Ventilelement im wesentlichen kraftausgeglichen ist. Insbesondere offenbart diese Verweisstelle ein Dreiwegeventil, das zwei Einlässe, die Fluid von entsprechenden Quellen zuführen, und einen einzigen Auslaßkanal enthält, wobei das Dreiwegeventil so positioniert werden kann, daß der Durchfluß von Fluid selektiv von einer der beiden Fluidquellen zu dem Auslaßkanal möglich ist. Bei diesem Dreiwegeventil gibt es keine Rückstellfeder zur Rückstellung des Ventils in eine Ausgangsposition, die von einem Betätigungselement, wie einem Elektromagneten, überwunden werden muß. Zum Erreichen der kraftausgeglichenen Eigenschaften dieses Ventils müssen die Ventilsitze denselben Durchmesser aufweisen. Da das offenbarte Ventil ein manuell betätigtes Ventil ist, ist eine kurze Ansprechzeit nicht erforderlich. Somit unterstützt das Kraftausgleichsmerkmal beim Handbetrieb nur die Bewegung des beweglichen Ventilelements zwischen einer ersten und zweiten Position.
Eine ähnliche Ventilkonstruktion ist in der US-A-3.038.499 dargestellt, die ein Dreiwegeventil offenbart, das ein bewegliches Ventilelement enthält, das manuell zwischen einer ersten und zweiten Position beweglich ist. Dieses Dreiwegeventil enthält auch Ventilsitze mit demselben Durchmesser. Für den Ausgleich der Drücke, die auf das bewegliche Ventilelement wirken, ist ein Kraftausgleichszylinder vorgesehen, wobei ein Kolben mit dem beweglichen Ventilelement durch eine Stange verbunden ist. Ein erster Ventildurchlaß ist in der Stange vorgesehen, so daß identische Fluiddrücke sowohl auf den Boden des Kopfes, welcher das Ventilelement bildet, als auch auf die Oberseite des Kolbens wirken, während ein zweiter Ventildurchlaß vorgesehen ist, so daß identische Fluiddrücke auf die Oberseite des Kopfes und den Boden des Kolbens wirken. Wie bei dem zuvor genannten Dreiwegeventil gibt es keine Federkraft, die beim Bewegen des beweglichen Ventilelements zwischen der ersten und zweiten Position überwunden werden muß, und ferner ist keines der obengenannten Ventile ein Ventil mit kurzer Ansprechzeit, sondern es sind nur manuelle Ventile, die den Fluidstrom zwischen drei Ventildurchlässen durch die Bewegung eines kraftausgeglichenen Ventilelements zwischen zwei Ventilsitzen regeln.
Die US-A-4.582.294 offenbart ein Dreiwegemagnetventil zum selektiven Leiten eines Fluidstroms zwischen einem Fluidversorgungsdurchlaß und einem ersten und zweiten Fluidauslaßdurchlaß. Sobald der Elektromagnet eingeschaltet wird, wird ein bewegliches Ventilelement gegen die Kraft einer Druckfeder nach oben gezogen und sitzt abdichtend gegen ein feststehendes Element, so daß der Druckfluidstrom von einer Druckfluidquelle zu einer Lastvorrichtung, in diesem Fall zu einem hydraulischen Zylinder, möglich ist. Beim Abschalten bewegt die Kraft der Druckfeder das bewegliche Ventilelement in Kontakt mit einem Ventilsitz, wodurch der Druckfluidstrom zu der Lastvorrichtung beendet und das zuvor zugeführte Druckfluid entleert wird. Beim Einschalten jedoch ist die effektive Oberfläche, die dem Hochdruckfluid ausgesetzt ist, in Aufwärtsrichtung größer, so daß die Verwendung einer Druckfeder mit einer Kraft erforderlich ist, die den Unterschied im Fluiddruck überwinden kann, der auf das bewegliche Ventilelement wirkt. Folglich verlangt diese Anordnung die Verwendung eines größeren Elektromagneten zur Überwindung der erforderlichen stärkeren Druckfederkraft, die in die Abwärts- oder Verschlußrichtung wirkt. Daher ist eine derartige Dreiwegemagnetventilkonstruktion nicht wirklich kraftausgeglichen, weder im eingeschalteten noch im abgeschalteten Zustand. Diese Konstruktion beruht ferner auf einer elastischen Membran in der Ventilkammer, wodurch sie für Hochdruckanwendungen ungeeignet wird.
Ferner kann das zuvor besprochene Dreiwegemagnetventil während der Bewegung des beweglichen Ventilelements zwischen dem abgeschalteten und eingeschalteten Zustand Übergangsverluste erfahren. Das heißt, während der Bewegung des beweglichen Ventilelements ist das Hochdruckfluid, das durch einen der Ventildurchlässe zugeleitet wird, sowohl für den Zylinderströmungsweg als auch für den Auslaufströmungsweg offen, wodurch etwas Hochdruckfluid verschwenderisch direkt in einen Ventildurchlaß strömen kann, der als Niederdruckauslauf dient, bis das bewegliche Ventilelement die Versorgung des Hochdruckfluids beendet. Obwohl Dichtungsringe aus einem elastischen Material an den Ventilsitzen vorgesehen sind, um den Aufprall des beweglichen Ventilelements zu dämpfen, werden zusätzlich solche Dichtungsringe im Laufe der Zeit abgenutzt und müssen ersetzt werden.
In dem Bemühen, die obengenannten Nachteile zu beseitigen, sieht die US-A- 4.598.736, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung darstellt, ein magnetisch betätigtes Dreiwegeventil vor, das als kraftausgeglichen, sowohl im eingeschalteten als auch im abgeschalteten Zustand, beschrieben wird. Um einen solchen Druckausgleich zu erhalten, müssen die Ventilsitze sowohl im eingeschalteten als auch im abgeschalteten Zustand dieselbe effektive Dichtungsfläche aufweisen. Im abgeschalteten Zustand ist ein ausgleichendes, bewegbares bzw. Spulenelement vorgesehen, so daß Drücke, die auf das bewegliche Ventilelement von der Druckfluidquelle wirken, auf gleiche effektive Oberflächen sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung wirken, wodurch das Ventil in einem druckausgeglichenen Zustand gehalten wird, während es sich im abgeschalteten Zustand befindet. Wenn das bewegliche Ventilelement eingeschaltet wird, wird es nach oben gegen einen zweiten feststehenden Ventilsitz gezogen, dessen effektive Dichtungsfläche gleich jener des ersten Ventilsitzes ist. Dabei ist das bewegliche Ventilelement druckausgeglichen, da die Fluiddruckkräfte, die auf das bewegliche Ventilelement sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung wirken, ausgeglichen sind. Daher muß der Elektromagnet beim Einschalten und Abschalten nur die Kraft der Druckfeder überwinden, und die Druckfeder muß nicht gegen den Fluiddruck wirken, um das bewegliche Ventilelement wieder gegen den ersten Ventilsitz zu bringen. Somit kann eine Druckfeder mit verringerter Kraft verwendet werden, wodurch ein elektromagnetisches Element verringerter Kapazität verwendet werden kann. Damit, wie zuvor erwähnt, das bewegliche Ventilelement sowohl im eingeschalteten als auch im abgeschalteten Zustand kraftausgeglichen ist, müssen ferner die Durchmesser sowohl des ersten als auch des zweiten Ventilsitzes gleich sein, wodurch wiederum keine optimalen Fluidströmungseigenschaften während des Betriebs des magnetisch betätigten Ventils erhalten werden können.
Wie bei dem Dreiwegemagnetventil gemäß der US-A-4.582.294 erfährt das Magnetventil gemäß der US-A-4.598.736, die den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, Übergangsverluste, da die Hochdruckfluidquelle gleichzeitig sowohl zu dem Lastvorrichtungsdurchlaß als auch zu dem Auslaufdurchlaß hin offen ist, wie auch mögliche Beschädigungen an den elastischen Dichtungsringen. Während eine stoßdämpfende Feder vorgesehen sein kann, um den Aufprall beim Einschalten des Elektromagneten etwas zu dämpfen, sind die Ventilsitze feststehende Element, die einen Aufprall nicht leicht dämpfen können, was zu einem Phänomen führen kann, das als "Ventilverschlußrückprall" bekannt ist und einen Leckageweg zwischen dem Ventilsitz und dem beweglichen Ventilelement vorübergehend öffnet, wenn versucht wird, hohe Schließgeschwindigkeiten und somit eine kurze Ansprechzeit zu erreichen. Das heißt, wenn sich das bewegliche Ventilelement anfänglich schließt, springt es zurück und "prallt" von dem Ventilsitz ab, was zu einem vorübergehenden und unerwünschten Strom von Druckfluid durch den Raum führt, der während des "Rückpralls" entsteht. Ferner wird behauptet, daß die Ventildichtungen aus elastomeren Materialien gebildet sind, wodurch das Ventil gemäß der US-A-4.582.294 für eine Hochdruckanwendung ungeeignet wird.
Die US-A-5.038.826 offenbart ein magnetisch betätigtes Hochgeschwindigkeits-Dreiwegeventil, das zur Bewältigung von extrem hohen Fluiddrücken bei minimaler Fluidleckage bestimmt ist. Dieses Ventil enthält ein hin- und hergehendes, hohles, bewegliches Ventilelement mit einem schwimmenden Innenstift, der teleskopisch in dem hohlen beweglichen Ventilelement aufgenommen ist. In einer vorgeschobenen Position wird das hohle bewegliche Ventilelement durch eine Feder in Eingriff mit einem ersten Ventilsitz gespannt, der in dem umgebenden Ventilgehäuse ausgebildet ist und mit einem äußeren Ende des beweglichen Ventilelements in Eingriff steht. In einer zurückgezogenen Elektromagnetposition wird das bewegliche Ventilelement gegen den schwimmenden Innenstift gespannt, um den ersten Ventilsitz zu öffnen und einen zweiten Ventilsitz zu schließen, der in dem hohlen beweglichen Ventilelement angeordnet und so positioniert ist, daß er von einem Ende des schwimmenden Innenstifts erfaßt wird. Um einen Fluidkraftausgleich bei dem beweglichen Ventilelement zu erreichen, müssen die effektiven Durchmesser des ersten und zweiten Ventilsitzes gleich sein. Wie aus einer früheren Version dieser Art eines "Stift-in-Hülse"-Dreiwegeventils hervorgeht, das in der US-A-3.680.782 dargestellt ist, kann die Größe der Ventilsitze etwas unterschiedlich sein, um eine Fluidspannung zu schaffen, die den schwimmenden Innenstift gegen den mechanischen Anschlag spannt. Während die "Stift-in-Hülse"-Konstruktion eine sehr kurze Ansprechzeit und die Möglichkeit der Bewältigung sehr hoher Drücke bietet, bleiben bei dieser Art von Dreiwegeventil gewisse Probleme ungelöst.
Zum Beispiel muß die jeweilige effektive Größe der Ventilsitze exakt gleich sein, so daß garantiert ist, daß das bewegliche hohle Hülsenventilelement perfekt fluidkraftausgeglichen ist, oder nur geringfügig unterschiedlich groß sein, um eine Spannung an dem schwimmenden Stift zu erzeugen, wie in der US-A-3.680.782 gelehrt wird. Ferner sieht die US-A-5.038.826 keinen Mechanismus zur leichten Einstellung der axialen Position des schwimmenden Stifts vor, die für die Regulierung des Strecke wichtig ist, über welche sich die hohle Hülse aus der vollständig offenen in die vollständig geschlossene Position bewegen muß. Diese Strecke muß groß genug sein, um geeignete Strömungseigenschaften zu erhalten, sollte aber nicht größer als notwendig sein, um die Ventilansprechzeit zu minimieren und den verschwenderischen Verlust von Druckfluid zu minimieren, während sich das hohle bewegliche Ventilelement zwischen seiner vollständig vorgeschobenen und vollständig zurückgezogenen Position bewegt.
Der Verlust von Hochdruckfluid kann bei Verbrennungsmotor-Kraftstoffversorgungssystemen, die ein Dreiwegeventil jener Art verwenden, die in der US-A-5.038.826 offenbart ist, besonders unangenehm sein. Jede Leckage von Hochdruckkraftstoff in dem Kraftstoffsystem stellt Verlustenergie dar, welche die Effizienz des Verbrennungsmotors verringern kann. Die US-A- 5.038.826 versucht die Probleme der Leckage durch eine Verringerung der Leckage von Druckfluid zwischen dem hohlen beweglichen Ventilelement und dem umgebenden Ventilgehäuse zu beheben, indem eine Verringerung des Zwischenraums in dem Hochdruckkammerbereich des hohlen beweglichen Ventilelements vorgesehen wird. Dieser Lösungsweg macht einen Wandverschleiß und ein Festsitzen des Ventils möglich und ignoriert Verluste, die entstehen, wenn Druckfluid in der Zeit, in der sich das hohle bewegliche Ventilelement zwischen seiner vollständig vorgeschobenen und vollständig zurückgezogenen Position bewegt, aus dem Druckdurchlaß zu dem Abgabe- oder Auslaufdurchlaß strömen kann. Dieses Phänomen tritt auf, wenn das Steuerventil betätigt wird, um das bewegliche Ventilelement gegen einen Ventilsitz zu bewegen, so daß der Hochdruck-Kraftstoffstrom zu dem Kraftstoffinjektor beendet wird. Wenn sich das bewegliche Ventilelement dem Ventilsitz mit großer Geschwindigkeit nähert, die zum Erreichen eines schnell arbeitenden Ventils mit angemessener Strömungskapazität erforderlich ist, schlägt das bewegliche Ventilelement mit beachtlicher Kraft auf den Ventilsitz und kann zurückspringen, wodurch ein ungleichmäßiger, nicht vorhersagbarer und nicht zeitgerechter Kraftstoffstrom in den Motorzylinder wie auch ein unproduktiver Verlust von Druckkraftstoff erhalten wird.
Die US-A-5.038.826 und die US-A-3.680.782 offenbaren Dreiwegeventile vom "Stift-in-Hülse"-Typ, wobei der schwimmende Innenstift an derselben Seite des Ventils angeordnet ist wie der Elektromagnet. Diese Anordnung kann zu Schwierigkeiten bei der richtigen Positionierung und Einstellung des axialen Teils des schwimmenden Innenstifts führen.
Da ein Kraftstoffeinspritzsteuerventil während des Motorbetriebs viele Zyklen pro Minute arbeiten muß, können sehr deutliche Hochdruckkraftstoffverluste bei einem Dreiwegeventil des Typs entstehen, der in der US-A- 5.038.826 offenbart ist, die auch die Probleme der Leckage nicht behandelt, die mit dem "Ventilrückprall beim Schließen" zusammenhängen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der Nachteile nach dem Stand der Technik, die zuvor besprochen wurden, und die Verbesserung der Funktionsmerkmale, die durch Ausführung der Lehren nach dem Stand der Technik erreichbar sind. Es wurde festgestellt, daß es gelegentlich wünschenswert sein kann, verschiedene Strömungseigenschaften für jeden der beiden Ventilsitze eines kraftausgeglichenen Dreiwegeventils vorzusehen. Zum Beispiel wäre es wünschenswert, dem unter Druck stehenden Fluid (Druckfluid) unterschiedliche Strömungseigenschaften von der Versorgungsquelle zu der Last und anschließend zwischen der Last und dem Auslauf zu verleihen, um anfangs einen langsamen Start der Lastvorrichtung zu erreichen und gleichzeitig eine rasche Beendigung des Stroms zu der Lastvorrichtung zu erhalten. Da die effektiven Ventilsitzdurchmesser direkt die Strömungsbearbeitungsfähigkeit eines Ventils beim anfänglichen Öffnen und Schließen beeinflussen, eignen sich die obengenannten Ventile nicht gut für die Bereitstellung verschiedener effektiver Strömungsbearbeitungsfähigkeiten bei gleichzeitiger Beibehaltung der obengenannten kraftausgleichenden Merkmale, da jede wesentliche Änderung der Ventilsitzdurchmesser den Kraftausgleich des Ventils zerstören würde.
Daher besteht in der Technik ein Bedarf nach einem druckausgeglichenen elektromagnetischen Dreiwegemagnetventil, das eine kurze Ansprechzeit unter Hochdruckbedingungen aufweist, wobei die Ventilanordnung Ventilsitze unterschiedlichen Durchmessers enthält. Durch diese Anordnung können deutlich unterschiedliche Öffnungs- und Schließ-Strömungseigenschaften bei einem Dreiwegeventil erzielt werden, ohne auf die Nutzen des Fluidkraftausgleichs beim beweglichen Ventilelement zu verzichten. Ferner besteht ein Bedarf nach einem rasch ansprechenden Dreiwegemagnetventil, bei dem sämtliche Übergangsverluste minimiert sind und der Schließaufprall gedämpft wird, so daß sämtliche Leckagewege aufgrund des "Rückpralls beim Ventilschließen" deutlich begrenzt oder beseitigt werden.
Eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der obengenannten Nachteile, die mit bekannten, magnetisch betätigten Dreiwegemagnetventilen nach dem Stand der Technik zusammenhängen, und die Bereitstellung einer druckausgeglichenen Dreiwegeventilanordnung mit verbesserten Funktionsmerkmalen bzw. -eigenschaften.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines kraftausgeglichenen magnetisch betätigten Dreiwegeventils, das eine kurze Ansprechzeit (z. B. 200-400 usec) aufweist, was die Steuerung eines anfänglichen Hochdruckfluidstroms und eine rasche Beendigung des Hochdruckstroms zu einer Lastvorrichtung ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines druckausgeglichenen Dreiwegemagnetventils, wobei der Ventilhub des Ventils zum Erreichen der gewünschten Strömungseigenschaften einfach eingestellt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines druckausgeglichenen Dreiwegemagnetventils, das die Übergangsverluste aufgrund der Verbindung des Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlasses sowohl mit einem an eine Lastvorrichtung angeschlossenen Durchlaß als auch mit einem an einen Auslauf angeschlossenen Durchlaß während der Bewegung des Ventilelements zwischen seiner vollständig vorgeschobenen und vollständig zurückgezogenen Position deutlich begrenzt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines druckausgeglichenen Dreiwegemagnetventils, wobei ein Elektromagnet mit geringerer Stärke, geringerem Gewicht und geringerer Größe zur Betätigung des Ventils verwendet werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Dämpfen des Aufpralls eines beweglichen Ventilelements, wenn der Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß geschlossen wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung des Phänomens, das als "Ventilschließrückprall" bekannt ist, wodurch jede Leckage von Hochdruckfluid und ein unregelmäßiges Schließen, das bisher daraus resultieren konnte, beseitigt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Dreiwegeventils vom "Stift-in-Hülse"-Typ mit einem oder mehreren der obengenannten Merkmale bzw. Eigenschaften.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Dreiwegeventils vom "Stift-in-Hülse"-Typ, das eine oder mehr der obengenannten Zielsetzungen erfüllt, um eine Ventilanordnung zu schaffen, die ideal zur Steuerung der Fluideinspritzung in den Zylinder eines Verbrennungsmotors geeignet ist, während die Leckage von Hochdruckfluid minimiert wird, die zu einer verringerten Leistungsfähigkeit bzw. Effizienz des Motors führen könnte.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Dreiwegeventils, das eine oder mehr der obengenannten Zielsetzungen erfüllt, in einer Ventilanordnung, die mit äußerst präzisen Toleranzen hergestellt werden kann, um ein Fluidlecken zu minimieren und eine hohe Unversehrtheit der Ventildichtung zu erreichen, während die Anzahl der Flächen minimiert wird, die mit geringen Toleranzen bearbeitet werden müssen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils mit verschiedenen Öffnungs- und Schließ-Hochdruckkraftstoff-Strömungseigenschaften in einer Anordnung vom "Stift-in-Hülse"-Typ, wobei der schwimmende Stift so angeordnet ist, daß er mit einem Rückzugsanschlag an einem Ende der hohlen Hülse in Eingriff gelangt und der Elektromagnet zur Betätigung des Ventils an dem gegenüberliegenden Ende der Hülse angeordnet ist.
Die primäre Aufgabe und die meisten der obengenannten weiteren Aufgaben wie auch zusätzliche Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Ventilanordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel stellt ein druckausgeglichenes Dreiwegemagnetventil bereit, enthaltend ein Ventilgehäuse mit einer Ventilkammer und einem Versorgungsdurchlaß, der außen für den Anschluß an eine Hochdruckfluidversorgung ausgebildet ist, einem Auslaßdurchlaß, der für den Anschluß an eine externe Vorrichtung, wie eine Kraftstoff-Injektordüse, ausgebildet ist, und einem Auslaufdurchlaß, der für den Anschluß an einen Niederdruckauslauf ausgebildet ist, wobei alle Ventildurchlässe mit der Ventilkammer in Fluidverbindung stehen. Ein bewegliches Ventilelement ist hin- und hergehend in der Ventilkammer zur Bewegung zwischen einer ersten und zweiten Position angeordnet, um den Auslaßdurchlaß selektiv entweder mit dem Versorgungsdurchlaß oder mit dem Auslaufdurchlaß in Fluidverbindung zu bringen. Ein erster Ventilsitz ist in dem Ventilgehäuse ausgebildet und konzentrisch in der Ventilkammer angeordnet, um die Fluidverbindung zwischen dem Auslaßdurchlaß und dem Auslaufdurchlaß zu blockieren, und ein zweiter Ventilsitz ist konzentrisch in einem Hohlraum in dem beweglichen Ventilelement angeordnet, um die Fluidverbindung zwischen dem Versorgungsdurchlaß und dem Auslaßdurchlaß zu blockieren, wobei der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz im wesentlichen ungleiche effektive Dichtungsflächen aufweisen. Ein schwimmender Stift ist in dem Hohlraum des beweglichen Ventilelements angeordnet und arbeitet mit dem zweiten Ventilsitz zusammen, um den Versorgungsdurchlaß und den Auslaßdurchlaß selektiv abzutrennen, wobei der schwimmende Stift ein stoßdämpfendes Element enthält, um den Aufprall des beweglichen Ventilelements zu dämpfen, wenn das bewegliche Ventilelement mit dem schwimmenden Stift während des Abschaltens des Elektromagnets in Kontakt gelangt. Dadurch können Übergangsverluste leicht reguliert und eine hohe anfängliche Schließgeschwindigkeit erreicht werden, da das stoßdämpfende Element dazu beiträgt, den "Ventilschließrückprall" und somit die Bildung jedes Leckageweges zwischen dem schwimmenden Stift und dem beweglichen Ventilelement zu verhindern, nachdem der Kontakt zwischen dem schwimmenden Stift und dem beweglichen Ventilelement an dem zweiten Ventilsitz hergestellt wurde.
Ferner werden Übergangsverluste verhindert, da der schwimmende Stift dem beweglichen Ventilelement über einen Großteil seines Ventilhubs folgen kann, um den Strömungsweg zwischen dem Versorgungsdurchlaß und dem Auslaßdurchlaß geschlossen zu halten, bis der Strömungsweg zwischen dem Auslaßdurchlaß und dem Auslaufdurchlaß nur in geringem Maße noch offen ist. Der schwimmende Stift wird unmittelbar vor dem Schließen des Strömungsdurchlasses zwischen dem Auslaßdurchlaß und dem Auslaufdurchlaß angehalten, wobei der schwimmende Stift dann durch das dazwischen hindurchströmende Hochdruckfluid von dem beweglichen Ventilelement weggedrängt wird, um einen vollständig offenen Zustand zu erhalten.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Bereitstellung eines druckausgeglichenen Dreiwegemagnetventils gelöst, enthaltend ein Ventilgehäuse mit einer Ventilkammer und einem Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß, Hochdruckfluid-Auslaßdurchlaß und Auslaufdurchlaß, die mit der Ventilkammer in Fluidverbindung stehen. Ein bewegliches Ventilelement ist hin- und hergehend in der Ventilkammer angeordnet, um den Auslaßdurchlaß selektiv entweder mit dem Versorgungsdurchlaß oder mit dem Auslaufdurchlaß in Fluidverbindung zu bringen. Ein erster Ventilsitz ist konzentrisch in der Ventilkammer des Gehäuses für die Zusammenarbeit mit dem beweglichen Ventilelement angeordnet, um den Auslaßdurchlaß von dem Auslaufdurchlaß zu trennen, und ein zweiter Ventilsitz ist konzentrisch in einem Hohlraum angeordnet, der sich in ein Ende des beweglichen Ventilelements öffnet, um einen schwimmenden Stift aufzunehmen, um den Versorgungsdurchlaß von dem Auslaßdurchlaß zu trennen. Der schwimmende Stift enthält eine Dichtungsfläche an einem ersten Ende und ein Bewegungsbegrenzungsmittel, das benachbart zu bzw. in der Nähe von einem zweiten Ende angeordnet ist, das von dem ersten Ende entfernt ist, wobei das Bewegungsbegrenzungsmittel einen Anschlag in Form eines Bolzens aufweist, der sich quer zur Bewegungsrichtung des beweglichen Ventilelements erstreckt. Der Bolzen weist einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und hat einen Zwischenteil bzw. -abschnitt, der auf verschiedene Tiefen um den Umfang des Bolzens ausgenommen ist, so daß eine Drehung des Bolzens die Positionierung des schwimmenden Stifts und somit die Länge des Ventilhubs ändert.
Die zuvor genannten wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich, wenn diese mit Bezugnahme auf die einzelnen Figuren betrachtet wird.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im geschlossenen und abgeschalteten Zustand;
Fig. 1A ist eine vergrößerte Schnittansicht des Teils bzw. Abschnitts des Dreiwegemagnetventils von Fig. 1 um den unteren Ventilsitz;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht des kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung während der Bewegung des beweglichen Ventilelements zwischen einer vollständig geschlossenen und einer vollständig geöffneten Position;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht des kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in dem vollständig geöffneten und eingeschalteten Zustand;
Fig. 3A ist eine vergrößerte Schnittansicht des Teils bzw. Abschnitts des Dreiwegemagnetventils von Fig. 3 um den oberen Ventilsitz;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs A von Fig. 1;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs B von Fig. 3;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des langsamen, gesteuerten Startens und des abrupten Beendens des Druckfluidstroms im Laufe bzw. in Abhängigkeit von der Zeit durch das in Fig. 1-3 dargestellte Dreiwegemagnetventil;
Fig. 6a-6c sind graphische Darstellungen der Fluiddruckprofile in kritischen, leckanfälligen Spalten, die in der Ventilanordnung der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine vergrößerte Schnittansicht des in Fig. 7 dargestellten kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils im abgeschalteten Zustand;
Fig. 9 ist eine vergrößerte Schnittansicht des in Fig. 7 dargestellten kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils im eingeschalteten Zustand;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im abgeschalteten Zustand;
Fig. 11 ist eine Schnittansicht des in Fig. 10 dargestellten kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils im eingeschalteten Zustand; und
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht des Bolzens, der zur Einstellung eines vorbestimmten Ventilhubs des kraftausgeglichenen Dreiwegemagnetventils von Fig. 10 verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher in Verbindung mit den Fig. 1 bis 12 beschrieben.
Mit Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 bis 6 und insbesondere auf Fig. 1 bis 3 ist die kraftausgeglichene und druckausgeglichene Dreiwegemagnetventilanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Ventilkonstruktion bzw. dieser Ventilaufbau ist besonders zur Anwendung als Einspritzsteuerventil geeignet, das in einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung verwendet wird, wo wünschenswerte Kraftstoffeinspritzdrücke von mehr als 137,9 Mpa (20.000 psi) erforderlich sein können. Das druckausgeglichene Dreiwegemagnetventil 1 umfaßt ein Ventilgehäuse 2, das eine Ventilkammer 4 in Form einer mittleren Bohrung aufweist, die sich über die gesamte Länge des Gehäuses erstreckt, wie auch Fluidverbindungsventildurchlässe 6, 8 und 10, die mit der Ventilkammer 4 in Fluidverbindung stehen. Der Ventildurchlaß 6 ist ein Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß und kann mit einer Hochdruckfluidquelle für einen Verbrennungsmotor in Verbindung stehen. Zum Beispiel kann der Ventildurchlaß 6 an einen Speicherbehälter (nicht dargestellt) angeschlossen sein, der zur vorübergehenden Aufnahme von Kraftstoff bei sehr hohem Druck, zum Beispiel mehr als 34,5 bis 206,5 Mpa (5.000 bis 30.000 psi) ausgebildet ist. Solche Drücke sind besonders wünschenswert, um eine hohe Motorleistungsfähigkeit bzw. -effizienz und geringe Emissionen zu erreichen. Die Steuerung von Fluiden unter einem derart hohen Druck ist unter allen Umständen schwierig, ist aber besonders im Falle von Kraftstoff-Einspritzsystemen schwierig, da die Zeitpunkteinstellung und Kraftstoffmenge äußerst exakt synchron mit dem Motorbetrieb gesteuert werden müssen. Die vorliegende Erfindung schafft ein Dreiwegeventil, das ideal zur Steuerung der Kraftstoffversorgung zu den einzelnen Zylindern eines Verbrennungsmotors geeignet ist, aber in jeder Umgebung oder für jeden Zweck verwendet werden kann, die oder der eine Fluidsteuerung unter Hochdruck-, Hochgeschwindigkeits- und Präzisionssteuerungsbedingungen verlangt.
Der Ventildurchlaß 8 kann zur Zuleitung von Druckfluid zu einer Lastvorrichtung, wie einem hydraulischen Zylinder, einer Kraftstoffeinspritzdüse oder dergleichen, angeschlossen sein. Wie in der Folge ausführlicher erklärt wird, ist der Ventildurchlaß 10 ein Abfluß- bzw. Auslaufdurchlaß zur Rückführung von Fluid zu einer Fluidversorgung (nicht dargestellt).
In der Ventilkammer 4 ist ein bewegliches Ventilelement 12 hin- und herbewegbar angeordnet, das zur Hin- und Herbewegung zwischen einer ersten und zweiten Position ausgebildet ist, um die Fluidverbindung zwischen den Ventildurchlässen 6, 8 und 10 zu steuern. Das bewegliche Ventilelement 12 ist so groß, daß es einen engen Gleitsitz mit der inneren Oberfläche der Ventilkammer 4 bildet, so daß eine Fluiddichtung zwischen den angrenzenden Oberflächen entsteht, um ein Lecken von Fluid aus der Ventilanordnung zu verhindern. Das bewegliche Ventilelement 12 enthält einen Hohlraum 14, der so ausgebildet ist, daß er sich zu einem Ende des Ventilelements 12 hin öffnet. In dem Hohlraum 14 des beweglichen Ventilelements 12 ist ein freier oder schwimmender Stift 16 angeordnet, der so groß ist, daß er einen engen Gleitsitz mit der inneren Oberfläche des Ventilelement-Hohlraums 14 bildet, so daß eine Fluiddichtung entsteht, die im wesentlichen ein Lecken von Fluid aus dem Zwischenraum zwischen dem Stift 16 und dem beweglichen Ventilelement 12 verhindert.
Die Bedeutung der Anordnung des schwimmenden Stifts 16 in einem unteren Teil des beweglichen Ventilelements 12 wird in der Folge ausführlicher beschrieben. Ein Rückzugsanschlag 18, der als Verlängerung eines Stopfens oder eines anderen geeigneten Befestigungselements 20 ausgebildet ist, stellt eine untere Begrenzung für die Bewegung des schwimmenden Stifts 16 in dem Hohlraum 14 des beweglichen Ventilelements 12 dar. Eine Druckfeder 22 ist um den Rückzugsanschlag 18 und in Kontakt mit einem radialen Flansch 24 des schwimmenden Stifts 16 angeordnet, um den schwimmenden Stift 16 in eine Richtung, weg von dem Rückzugsanschlag 18 vorzuspannen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die untere Begrenzung der Bewegung des schwimmenden Stifts 16 einfach durch Ändern der Höhe des Rückzugsanschlags 18 oder des Ausmaßes, in dem der Stopfen 20 in die Ventilkammer 4 eingeführt ist, was durch ein Abstandsstück oder eine Beilagscheibe 21 in der Art einer Unterlegscheibe bestimmt wird, eingestellt werden. Ferner wird die Strecke, über welche der schwimmende Stift 16 durch die Feder 22 vorgeschoben werden kann, durch eine Beilagscheibe 26 reguliert. Die Bedeutung der Beilagscheibe 26 wird in der Folge mit Bezugnahme auf den Betrieb des Dreiwegemagnetventils 1 näher beschrieben.
Ein oberer Teil des beweglichen Ventilelements 12 ist an einem Anker 28 befestigt, der neben bzw. benachbart zu einem Elektromagneten 30 angeordnet ist, der in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 so angeordnet ist, daß er an dem Anker 28, der in der Zeichnung dargestellt ist, nach oben zieht. Eine Druckfeder 32 ist zum Vorspannen des beweglichen Ventilelements 12 in eine Richtung weg von dem Elektromagneten 30 vorgesehen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Druckfeder 32 eine größere Stärke bzw. Kraft als die Feder 22 auf. Zum Beispiel kann die Druckfeder 32 eine 445 N (100 Pfund) Feder sein, während die Feder 22 von der Größenordnung von etwa 356 N (80 Pfund) ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist eine feststehende Platte 34 konzentrisch um das bewegliche Ventilelement 12 angeordnet und steht mit der Druckfeder 32 in Kontakt, während die Beilagscheibe 36 um das bewegliche Ventilelement 12 befestigt ist und mit dem zweiten Ende der Druckfeder in Kontakt steht. Daher wird die abwärtsgerichtete Kraft der Druckfeder 32 durch die Beilagscheibe 36 leicht auf das bewegliche Ventilelement 12 übertragen.
Ein Ventilsitz 38 bildet einen Teil des Gehäuses zwischen dem Auslaßventildurchlaß 8 und dem Auslaufventildurchlaß 10, wobei der Ventilsitz beim Kontakt mit dem beweglichen Ventilelement 12 eine Dichtung zwischen einer ersten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 und dem Auslaufdurchlaß 10 zur Trennung des Auslaufdurchlasses 10 von den anderen Ventildurchlässen 6 und 8 bildet. Wie ausführlicher erklärt wird, ist die Fluidverbindung zwischen den Ventildurchlässen 6 und 8 getrennt, wenn das bewegliche Ventilelement 12 wie in Fig. 1 dargestellt positioniert ist. Das Ventilgehäuse 2 enthält eine erste äußere ringförmige Ausnehmung 40, die mit der Ventilkammer 4 in Verbindung steht. Die äußere ringförmige Ausnehmung 40 ist axial neben dem Ventilsitz 38 angeordnet. Das Gehäuse 2 enthält auch eine zweite äußere ringförmige Ausnehmung 41 in Fluidverbindung mit dem Versorgungsdurchlaß 6. Ferner ist ein erster radialer Durchlaß 42 in dem beweglichen Ventilelement ausgebildet, um eine Fluidverbindung zwischen der ersten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 mit dem beweglichen Ventilelement-Hohlraum 14 des beweglichen Ventilelements 12 herzustellen. Zusätzlich ist in dem Hohlraum 14 des beweglichen Ventilelements 12 ein Ventilsitz 44 ausgebildet, der mit einer oberen Oberfläche 46 des schwimmenden Stifts 16 zusammenwirkt, um die Fluidverbindung zwischen einer inneren ringförmigen Ausnehmung 48, die in dem beweglichen Ventilelement 12 ausgebildet ist, und der ersten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 und folglich dem Auslaßdurchlaß 8 abzudichten. Unter Druck stehendes Fluid (Druckfluid) von dem Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß 6 wird in der inneren ringförmigen Ausnehmung 48 über einen zweiten radialen Durchlaß 50 aufgenommen. Das bewegliche Ventilelement 12 hat einen ausreichend engen Gleitsitz mit der inneren Oberfläche der Ventilkammer 4, um eine Fluiddichtung entlang im wesentlichen der gesamten Länge des beweglichen Ventilelements 12 zu bilden, die sich zwischen der ersten und der zweiten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 und 41 erstreckt. Der dichtungsbildende enge Sitz erstreckt sich über die zweite äußere ringförmige Ausnehmung 41 hinaus, um die Ausnehmung 41 gegen ein Fluidlecken zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem beweglichen Ventilelement 12 abzudichten. Ein weiterer Durchlaß 52 ist in dem beweglichen Ventilelement vorgesehen, um den Druck an beiden Seiten des hohlen Teils des beweglichen Ventilelements 12 auszugleichen. Insbesondere haben Studien gezeigt, daß der Fluiddruck an jedem Punkt entlang der axialen Länge eines schmalen Spalts zwischen zwei zusammenpassenden Flächen eine generell sinkende Amplitude aufweist, wenn der schmale Spalt an einem Ende hohem Druck und am anderen Ende niederem Druck ausgesetzt wird. Fig. 6a zeigt einen Spalt A zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem beweglichen Ventilelement 12 und einen Spalt B zwischen dem schwimmenden Stift 16 und dem beweglichen Ventilelement 12. Die Druckprofile in den Spalten A und B sind nicht identisch, da der Fluiddruck verschiedene Verzerrungsgrade bei Spalt A und B herbeiführt. Durch Anordnen eines radial verlaufenden bzw. ausgerichteten, druckausgleichenden Durchlasses 52 in dem hohlen Teil des beweglichen Ventilelements und durch Bereitstellen einer ringförmigen Ausnehmung 53, wie in Fig. 6b dargestellt, kann die Kraftstoffmenge, die durch Spalt A und B leckt, verringert werden. Dieses Phänomen wird verständlich, wenn folgendes berücksichtigt wird:
Wenn das F-Ende des beweglichen Ventilelements 12 von dem Ventilgehäuse vorsteht und der schwimmende Stift 16 von dem Ende des Ventils vorsteht, Fig. 6c, führt dies in dem Endspalt (A) zwischen dem Gehäuse 2 und dem beweglichen Ventilelement 12 dazu, daß der Innendruck in dem Ventil in Abschnitt E den Durchmesser des Ventilelements 12 vergrößert, d. h., daß der Spalt (A) zwischen dem Gehäuseende des beweglichen Ventilelements 12 kleiner wird, d. h., daß der Leckstrom durch Spalt (A) abnimmt. Es gibt eine gewisse Zunahme in dem Strom um den schwimmenden Stift (Spalt B), aber aufgrund des kleineren Durchmessers ist der Gesamtleckstrom durch Spalt A und B geringer.
Das Dreiwegemagnetventil 1 von Fig. 1 ist in einem abgeschalteten Zustand dargestellt, wobei das bewegliche Ventilelement 12 von der Feder 32 in Anlage bzw. Eingriff mit dem schwimmenden Stift 16 vorgespannt ist, so daß die obere Oberfläche 46 in Anlage bzw. Eingriff mit dem Ventilsitz 44 vorgespannt ist, wie durch die Vergrößerung C von Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Position ist ersichtlich, daß die Ventilanordnung druckausgeglichen ist, da die effektive Oberfläche des beweglichen Ventilelements 12, die Hochdruckfluid von dem Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß 6 sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung ausgesetzt ist, gleich ist. Dieses Merkmal ist am besten in Fig. 1A dargestellt, das eine vergrößerte Ansicht des Bereichs ist, der die innere ringförmige Ausnehmung 48 umgibt. Wie in Fig. 1A dargestellt, wirkt das Druckfluid, das die innere ringförmige Ausnehmung 48 und den zweiten radialen Durchlaß 50 füllt, wenn der schwimmende Stift 16 im Ventilsitz 44 sitzt, sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung auf eine identische Oberfläche, wie durch Pfeil a dargestellt ist. Das bewegliche Ventilelement 12 ist sonst keinem signifikanten Fluiddruck ausgesetzt, wenn es in der in Fig. 1 dargestellten Position angeordnet ist, da der Fluiddruck im Auslaufdurchlaß 10 Null oder zumindest ein vergleichsweise niederer Druck ist (d. h., weniger als 68,9 KPa [10 psi]) im Vergleich zu dem sehr hohen Druck des Versorgungsdurchlasses 6 (d. h., 137,9 MPa [20.000 psi] oder mehr). Daher ist die Nettokraft, die auf das bewegliche Ventilelement 12 durch das Hochdruckfluid wirkt, das in dem zweiten radialen Durchlaß 50 und der inneren ringförmigen Ausnehmung 48 enthalten ist, gleich Null, was zu einem druckausgeglichenen oder kraftausgeglichenen Ventil im abgeschalteten Zustand führt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist der Ventilsitz 44 in dem beweglichen Ventilelement 12 eine kegelstumpfförmige Oberfläche 54 auf. Diese Oberfläche ist um die Mittelachse des Hohlraums 14 des beweglichen Ventilelements konzentrisch. Ferner enthält die obere Oberfläche 46 des schwimmenden Stifts 16 einen kegelstumpfförmigen Teil 56, wobei der Neigungswinkel in bezug auf die Mittelachse des Hohlraums 14 des kegelstumpfförmigen Teils 56 des schwimmenden Stifts 16 kleiner als der Neigungswinkel der kegelstumpfförmigen Oberfläche 54 ist. Dadurch entsteht eine kreisförmige Kontaktlinie zwischen dem äußeren Rand des kegelstumpfförmigen Teils 56 des schwimmenden Stifts 16 und dem kegelstumpfförmigen Teil 56, so daß leicht eine Dichtung dazwischen gebildet werden kann. Die Bereitstellung eines solchen Kontakts zwischen dem schwimmenden Stift 16 und dem beweglichen Ventilelement 12 an dem Ventilsitz 44 führt zu einer deutlichen Verringerung der erforderlichen Bearbeitungstoleranzen im Vergleich zu jenen von Ventilsitzen, die identische Neigungen der kegelstumpfförmigen Oberfläche 54 und des kegelstumpfförmigen Teils 56 verlangen. Ferner unterstützt die fast kontaktlinienförmige Dichtung zwischen dem schwimmenden Stift 16 und dem beweglichen Ventilelement 12 die Trennung des schwimmenden Stifts 16 und des beweglichen Ventilelements 12 bei der Betätigung des Ventils 1.
Mit Bezugnahme nun auf jede der Fig. 1, 2 und 3 wird der Betrieb bzw. die Betätigung des kraft- oder druckausgeglichenen Dreiwegemagnetventils 1 in der Folge ausführlicher beschrieben.
Wie zuvor besprochen und in Fig. 1 dargestellt, ist im abgeschalteten Zustand der Anker 28 mit einem vorbestimmten Abstand zu dem Elektromagneten 30 angeordnet, der schwimmende Stift 16 liegt am Rückzugsanschlag 18 an, und die obere Oberfläche 46 des schwimmenden Stifts 16 sitzt im Ventilsitz 44 (siehe Teilzeichnung Abschnitt C), wodurch die Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß 6 und dem Auslaßdurchlaß 8 abgedichtet ist. Ferner ist das bewegliche Ventilelement mit Abstand zu dem Ventilsitz 38 angeordnet (siehe Teilzeichnung Abschnitt D), wodurch eine Fluidverbindung zwischen der ersten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 und dem Auslaufdurchlaß 10 ermöglicht wird. Ferner ist der radiale Flansch 24 in einem vorbestimmten Abstand zu der Beilagscheibe 26 angeordnet (siehe Teilzeichnung Abschnitt E).
Mit Bezugnahme auf Fig. 2 wird der Anker 28, wenn der Elektromagnet 30 eingeschaltet wird, nach oben zu dem Elektromagneten 30 gezogen, wodurch das bewegliche Ventilelement 12 nach oben gegen die Spannfeder 32 vorgeschoben wird. Zum Beispiel kann bei der vorliegenden Erfindung der Elektromagnet 30 eine Anfangskraft in der Größenordnung von 178 N (40 Pfund) erzeugen, welche die Nettokraft von 89 N (20 Pfund) überwindet, die in die Abwärtsrichtung auf das bewegliche Ventilelement 12 wirkt. Während der Anfangsbewegung des beweglichen Ventilelements 12 folgt der schwimmende Stift 16 dem beweglichen Ventilelement 12 aufgrund der nach oben gerichteten Kraft, die von der Druckfeder 22 erzeugt wird. Dadurch bleibt die obere Oberfläche 46 des schwimmenden Stifts 16 auf dem Ventilsitz 44 des beweglichen Ventilelements 12 sitzen (siehe Teilzeichnung Abschnitt F). Folglich ist ein Strom von Hochdruckfluid zu der ersten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 nicht möglich, und somit kann kein Versorgungsdruckfluid durch den Raum zwischen dem Ventilsitz 38 und der zusammenwirkenden Oberfläche 60 des beweglichen Ventilelements 12 zu dem Auslaufdurchlaß 10 hindurchgehen bzw. abfließen (siehe Teilzeichnung Abschnitt G). Nach einer teilweisen Verschiebung kommt der radiale Flansch 24 des schwimmenden Stifts 16 mit der Beilagscheibe 26 in Kontakt, wodurch eine weitere Aufwärts- oder Vorschubbewegung des schwimmenden Stifts 16 beendet wird (siehe Teilzeichnung Abschnitt H). Wie bereits festgestellt wurde, reguliert das axiale Maß der Beilagscheibe 26 auf einfache Weise die Strecke, über welche sich der schwimmende Stift 16 bewegen kann. Zum Beispiel kann der gesamte hin- und hergehende Hub des beweglichen Ventilelements 12 in der Größenordnung von 152,4 um (0,006 Inch) sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, die simultane Bewegung des schwimmenden Stifts unmittelbar vor dem Ende des Ventilhubs zu beenden. In diesem Fall etwa 25,4 um (0,001 Inch) vor dem Ende des Ventilhubs. Daher hätte die Beilagscheibe 26 notwendigerweise eine axiale Abmessung, die eine Bewegung des schwimmenden Stifts 16 von etwa 127 um (0,005 Inch) zuläßt, bevor ein Kontakt mit dem radialen Flansch 24 hergestellt wird (siehe Teilzeichnung Abschnitt E von Fig. 1).
Sobald der radiale Flansch 24 mit der Beilagscheibe 26 in Kontakt gelangt, wie in Fig. 3 dargestellt, trennt die fortgesetzte Bewegung des beweglichen Ventilelements 12 in Aufwärtsrichtung die obere Oberfläche 46 des schwimmenden Stifts 16 von dem Ventilsitz 44 des beweglichen Ventilelements 12 (siehe Teilzeichnung Abschnitt J). Nach der Trennung treibt die Versorgung mit Druckfluid, das durch den Durchlaß zwischen dem Ventilsitz 44 und der oberen Oberfläche 46 des schwimmenden Stifts 16 hindurchgeht, den schwimmenden Stift 16 nach unten und erneut in Kontakt mit dem Rückzugsanschlag 18, wodurch ein Abstand zwischen dem radialen Flansch 24 und der Beilagscheibe 26 entsteht (siehe Teilzeichnung Abschnitt K). Da sich der schwimmende Stift 16 mit dem beweglichen Ventilelement 12 während der Anfangsbewegung des beweglichen Ventilelements 12 bewegt, werden Übergangsverluste zu dem Auslaufdurchlaß 10 minimiert. Das heißt, nur sehr wenig Druckfluid kann anfangs zu der ersten äußeren ringförmigen Ausnehmung 40 strömen, bevor das bewegliche Ventilelement 12 vollständig gegen den Ventilsitz 38 sitzt.
Um jede Möglichkeit einer Seitenbelastung zu vermeiden, ist das Ende des schwimmenden Stifts 16, das mit dem Rückzugsanschlag 18 in Kontakt gelangt, mit einer leichten Krone ausgebildet. Diese Anordnung verringert die Möglichkeit einer signifikanten Seitenbelastung des schwimmenden Stifts 16, die einen ungleichmäßigen Abrieb und ein mögliches Lecken der teleskopischen Öffnungen herbeiführen kann.
Im Vergleich zu früheren Dreiwegemagnetventilen wird eine deutliche Verringerung des verschwenderischen Stroms von Druckfluid direkt zu dem Auslaufdurchlaß erreicht. Bei Ventilanwendungen, wie zur Kraftstoffeinspritzsteuerung, wo die Ventilbetätigung mit sehr hoher Frequenz wiederholt wird (hunderte Male pro Minute bei einem typischen Motorbetrieb), kann die deutliche Verringerung an unerwünschtem Ab- bzw. Überfließen von Hochdruckfluid zu dem Auslauf die Energiemenge deutlich senken, die vom Motor zur Druckbeaufschlagung des Motorkraftstoffs benötigt wird. Dieser verringerte parasitäre Energieverlust ist besonders groß, wenn das Kraftstoffsystem zur Erzeugung sehr hoher Kraftstoffdrücke konstruiert bzw. ausgelegt ist (d. h. mehr als 137,9 MPa [20.000 psi]).
Mit weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 führt die fortgesetzte Bewegung des beweglichen Ventilelements 12 in Aufwärtsrichtung zu einem Aufsitzen des beweglichen Ventilelements 12 in bzw. auf dem Ventilsitz 38 (siehe Teilzeichnung Abschnitt L). Das Aufsitzen des beweglichen Ventilelements 12 in bzw. auf dem Ventilsitz 38 ist in Fig. 5 genauer dargestellt.
Ähnlich wie bei dem Ventilsitz 44, der in Fig. 4 ausführlich dargestellt ist, enthält das bewegliche Ventilelement 12 die kegelstumpfförmige Oberfläche 60, die in bezug auf die Waagerechte weniger geneigt ist als die kegelstumpfförmige Oberfläche 62 des Gehäuses 2. Auch hier ist wie bei der in Fig. 4 dargestellten Dichtungsfläche eine scharfe, berührende Kante konzentrisch um das bewegliche Ventilelement 12 ausgebildet, die mit der kegelstumpfförmigen Oberfläche 62 des Ventilsitzes 38 leicht in Kontakt gelangt. Diese Anordnung von eingreifenden konischen Oberflächen, wie in Fig. 5 dargestellt, garantiert, daß die kreisförmige Dichtungskontaktlinie, die durch den Eingriff bzw. die Anlage der kegelstumpfförmigen Flächen 60 und 62 gebildet wird, denselben Durchmesser wie die äußere Schulter des beweglichen Ventilelements 12 aufweist, wie in Fig. 5 dargestellt.
Mit Bezugnahme nun auf Fig. 3A muß das Dreiwegemagnetventil, um druckausgeglichen zu sein, sowohl im eingeschalteten als auch im abgeschalteten Zustand druckausgeglichen sein. Wie zuvor mit Bezugnahme auf Fig. 1A besprochen wurde, wirkt im abgeschalteten Zustand das Druckfluid gegen dieselben effektiven Querflächen sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung gegen das bewegliche Ventilelement 12. Damit das Dreiwegemagnetventil im eingeschalteten Zustand druckausgeglichen ist, muß daher das Druckfluid, das auf das bewegliche Ventilelement 12 wirkt, wieder gegen gleiche effektive Querflächen sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung wirken. Wie im Falle von Fig. 1A ist das Druckfluid, das in dem Durchlaß SO und in der inneren ringförmigen Ausnehmung 48 wirkt, sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung gleich. Ebenso ist das Druckfluid, das in dem radialen Durchlaß 42 wirkt, sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung gleich, wie durch die Pfeile a angezeigt. Damit das Dreiwegemagnetventil im eingeschalteten Zustand druckausgeglichen ist, muß daher das Druckfluid, das auf das bewegliche Ventilelement 12 nach unten wirkt, wie durch Pfeile b dargestellt, gleich dem unausgeglichenen Druckfluid sein, das auf das bewegliche Ventilelement 12 nach oben wirkt, wie durch Pfeile c dargestellt. Das heißt, die Fläche, die durch den Durchmesser d&sub1;, den Durchmesser des schwimmenden Stifts 16 gebildet wird, die als Fläche A&sub1; bezeichnet wird, muß gleich der Fläche, die durch den Durchmesser d&sub2; gebildet wird, nachfolgend A&sub2; genannt, minus der Fläche, die durch den Durchmesser d&sub3; gebildet wird, nachfolgend A&sub3; genannt, sein. Damit das Dreiwegemagnetventil im eingeschalteten Zustand druckausgeglichen ist, müssen daher die Durchmesser mathematisch in einem solchen Verhältnis stehen, daß die folgende Formel erfüllt ist:
(1) A&sub1; = A&sub2; - A&sub3;
Wie aus Fig. 3A ersichtlich, müssen somit die Ventilsitze und somit die Durchmesser d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; in einem solchen Verhältnis stehen, daß die vorangehende Formel erfüllt ist; es müssen jedoch keine dieser Durchmesser identisch sein. Folglich wird mit der vorliegenden Erfindung ein druckausgeglichenes Dreiwegemagnetventil mit Ventilsitzen verschiedener Größen von effektiven Dichtungsflächen bereitgestellt. Das heißt, der Ventilsitz, der zwischen dem Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß 6 und dem Auslaßdurchlaß 8 vorgesehen ist, kann einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Ventilsitz, der zwischen dem Auslaßdurchlaß 8 und dem Auslaufdurchlaß 10 vorgesehen ist. Durch Schaffung von effektiven Dichtungsflächen verschiedener Größe kann somit ein anderes hydraulisches Verhalten erreicht werden, wenn das Dreiwegeventil geöffnet wird als wenn das Ventil geschlossen wird. Zum Beispiel ist es in Kraftstoffeinspritzsystemen häufig wünschenswert, eine Einspritzrate bereitzustellen, die zu Beginn des Einspritzzyklus langsam und am Ende der Einspritzung stark ist. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist während des anfänglichen Stroms an Druckfluid von dem Versorgungsdurchlaß 6 zu dem Auslaßdurchlaß 8 die Strömungsgeschwindigkeit langsam und nimmt im Laufe der Zeit zu. Wenn das Magnetventil abgeschaltet wird, wie mit X in Fig. 6 dargestellt ist, wird der Strom an Druckfluid zu dem Auslaßdurchlaß abrupt am Ende von beispielsweise einem Einspritzzyklus beendet. Daher würde ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen druckausgeglichenen Dreiwegemagnetventil einen gesteuerten Einspritzbeginn bzw. -anstieg und eine kurze Ansprechzeit aufweisen.
Wenn der Elektromagnet 30 abgeschaltet wird, drängt die Druckfeder 32 das bewegliche Ventilelement 12 nach unten und in Kontakt mit der oberen Fläche 46 des schwimmenden Stifts 16. Ein Teil dieses Aufpralls wird von der Druckfeder 22 aufgenommen. Ferner kann mit dem schwimmenden Stift 16 und der Druckfeder 22 das Phänomen, das als "Rückprall beim Schließen des Ventils (Ventilschließrückprall)" bekannt ist, deutlich verringert oder beseitigt werden. Das heißt, wenn das bewegliche Ventilelement 12 mit der oberen Fläche 46 des schwimmenden Stifts 16 in Kontakt gelangt und der schwimmende Stift mit dem Rückzugsanschlag 18 in Kontakt steht, hätte das bewegliche Ventilelement 12 die Tendenz, zurückzuprallen und sich folglich von der oberen Fläche 46 des schwimmenden Stifts 16 wegzubewegen. Um dieses Phänomen auszugleichen, drängt die Druckfeder 22 den schwimmenden Stift nach oben gegen das bewegliche Ventilelement 12, so daß der schwimmende Stift 16 dem beweglichen Ventilelement 12 folgt, falls dieses Element zurückspringt, und hält folglich die obere Fläche 46 des schwimmenden Stifts 16 im Ventilsitz 44, falls es zu einem Zurückprallen des beweglichen Ventilelements 12 kommt. Dadurch wird wiederum jeder Leckweg zwischen dem Ventilsitz 44 und der oberen Fläche 46 eliminiert, der sonst entstünde.
Als Alternative zu der Art von Spannanordnung, die in den Fig. 1-3 dargestellt ist, wäre es möglich, das bewegliche Ventilelement 12 in die in Fig. 3 dargestellte Position vorzuspannen. In einem solchen Fall hätte der Elektromagnet die Form, die in Fig. 10-12 dargestellt ist und mit Bezugnahme auf diese ausführlicher besprochen wird, wobei der Anker an einer Seite des Elektromagnets angeordnet ist, die dem beweglichen Ventilelement gegenüberliegt, so daß der Elektromagnet das Ventilelement eigentlich von dem Elektromagneten "wegschiebt", wenn das Ventil betätigt wird.
Mit Bezugnahme auf Fig. 7 bis 9 wird nun ein druckausgeglichenes Dreiwegemagnetventil, das gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ausführlicher beschrieben. Wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel enthält das Dreiwegemagnetventil 100 ein Gehäuse 102 mit einer Ventilkammer 104 und enthält einen Druckfluid-Versorgungsdurchlaß 106 und einen Auslaßdurchlaß 108, die mit der Ventilkammer 104 in Fluidverbindung stehen. Ein Auslaufdurchlaß 110 ist in einem Hohlraum 115 des beweglichen Ventilelements 112 vorgesehen, der auch einen schwimmenden Stift 114 aufnimmt. Die Aufwärtsbewegung des schwimmenden Stifts 114 wird durch den Anschlag 116 begrenzt, und das bewegliche Ventilelement 112 wird von einer Druckfeder 118 nach unten vorgespannt. In dem Gehäuse 102 ist auch ein Spüldurchlaß 120 vorgesehen, der mit der Ventilkammer 104 in herkömmlicher Weise in Fluidverbindung steht.
Der Anschlag 116 wie auch ein oberes Ende der Druckfeder 118 werden durch einen Quer- bzw. Kreuzbolzen 122 in einer unveränderlichen Position gehalten, der durch Schrauben 124 feststehend an dem Gehäuse 102 befestigt ist. Eine Verlängerung 126 des beweglichen Ventilelements 112 ist zur Aufnahme des Querbolzens 122 geschlitzt. An ihrem oberen Ende ist die Verlängerung 126 in herkömmlicher Weise mit einem Anker verbunden, der von einem Elektromagneten zur Bewegung des beweglichen Ventilelements 112 in gewünschter Weise angezogen wird. Ein Flansch 128 steht von dem beweglichen Ventilelement 112 ab und ist mit einem zweiten Ende der Druckfeder 118 in Kontakt, um das bewegliche Ventilelement 112 nach unten und in Kontakt mit einem Ventilsitz 130 vorzuspannen, der in dem Gehäuse 102 ausgebildet ist, wenn sich das Ventil im abgeschalteten Zustand befindet.
Wenn das bewegliche Ventilelement 112 in bzw. auf dem Ventilsitz 130 sitzt, steht der Auslaßdurchlaß 108 mit dem Auslaufdurchlaß 110 durch einen radialen Durchlaß 132 in Fluidverbindung, der in dem beweglichen Ventilelement 112 und dem Hohlraum 115 des beweglichen Ventilelements 112 ausgebildet ist. Daher ist der schwimmende Stift 114 mit Abstand zu dem Ventilsitz 134 angeordnet, der in dem beweglichen Ventilelement 112 ausgebildet ist. Dies ist deutlich in Fig. 8 dargestellt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 8 ist das Dreiwegemagnetventil im abgeschalteten Zustand druckausgeglichen, solange der Durchmesser d&sub4; des Ventilsitzes 130 gleich dem Durchmesser d&sub5; des Teils 117 des beweglichen Ventilelements 112 direkt unter der Hochdruckfluidkammer 119 ist, die einen Teil der äußeren ringförmigen Ausnehmung 121 bildet. Durch Bereitstellen gleicher Durchmesser in diesem Bereich sind somit die Kräfte gleich, die sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung auf das bewegliche Ventilelement 112 im abgeschalteten Zustand wirken.
Mit Bezugnahme auf Fig. 9 ist das Dreiwegemagnetventil im eingeschalteten Zustand dargestellt, wobei das bewegliche Ventilelement 112 durch einen Elektromagneten (nicht dargestellt) nach oben gehoben wird, so daß eine kegelstumpfförmige Endfläche 136 des schwimmenden Stifts 114 in dem Ventilsitz 134 des beweglichen Ventilelements 112 sitzt. In dieser Position kann das Druckfluid von dem Druckfluid-Versorgungsdurchlaß 106 zu dem Auslaßdurchlaß 108 durch den radialen Durchlaß 132 und die Kammer 140 strömen. Ebenso wird die Fluidverbindung zwischen dem Auslaßdurchlaß 108 und dem Auslaufdurchlaß 110 durch den Sitz des schwimmenden Stifts 114 in dem Ventilsitz 134 des beweglichen Ventilelements 112 abgedichtet.
Wie in dem vorangehenden Ausführungsbeispiel, müssen für einen Druckausgleich des Dreiwegemagnetventils 100 im eingeschalteten Zustand die Fluiddruckkräfte, die in die Aufwärtsrichtung wirken, gleich jenen sein, die in die Abwärtsrichtung wirken, und folglich muß die effektive Oberfläche des beweglichen Ventilelements 112, die dem Druckfluid in die Aufwärtsrichtung ausgesetzt ist, gleich jener in die Abwärtsrichtung sein. Die nicht direkt ausgeglichenen Kräfte, die auf das bewegliche Ventilelement 112 in die Aufwärtsrichtung wirken, sind mit Pfeilen a in Fig. 9 bezeichnet, während die Druckkräfte, die in die Abwärtsrichtung wirken, die nicht direkt ausgeglichen werden, durch Pfeile b und c bezeichnet sind. Die effektive Oberfläche, auf welche Druckfluid wirkt, die mit den Pfeilen a bezeichnet ist, ist gleich der Fläche, die durch den Durchmesser d&sub6; geschaffen wird, nachfolgend A&sub6; genannt, minus der Fläche, die durch den Durchmesser d&sub5; geschaffen wird, nachfolgend A&sub5; genannt. Ebenso wirken die Kräfte, die auf das bewegliche Ventilelement 112 in die Abwärtsrichtung wirken und mit Pfeilen b und c bezeichnet sind, über eine effektive Fläche, die durch den Durchmesser d&sub7; geschaffen wird, nachfolgend A&sub7; genannt, minus der Fläche, die durch den Durchmesser d&sub8; geschaffen wird, nachfolgend A&sub8; genannt. Mathematisch ausgedrückt, müssen die effektiven Flächen, die durch die Durchmesser d&sub6; minus d&sub5; und d&sub7; minus d&sub8; geschaffen werden, die folgende Formel erfüllen:
(2) A&sub6; - A&sub5; - A&sub7; - A&sub8;
Daher ist wie bei dem früheren Ausführungsbeispiel klar, daß die Durchmesser der Ventilsitze d&sub5; und d&sub8; zwar nicht identisch sein müssen, aber die Ventilsitze in einem solchen Verhältnis zu dem Durchmesser des beweglichen Ventilelements 112 und des schwimmenden Stifts 114 stehen müssen, daß die obengenannte Formel erfüllt ist.
Mit Bezugnahme nun auf die Fig. 10 bis 12 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlicher besprochen.
Mit Bezugnahme zunächst auf Fig. 10 enthält ein druckausgeglichenes Dreiwegemagnetventil 200 ein Gehäuse 202 mit einer darin ausgebildeten Ventilkammer 204 und einen Druckfluid-Versorgungsdurchlaß 206, einen Auslaßdurchlaß 208 und einen Auslaufdurchlaß 210, die mit der Ventilkammer 204 in Fluidverbindung stehen. In der Ventilkammer 204 ist auch ein bewegliches Ventilelement 212 angeordnet, das leicht von einem Elektromagneten 214 verschoben werden kann. Das bewegliche Ventilelement 212 enthält einen Hohlraum 21 S. in dem ein schwimmender Stift 216 angeordnet ist. Eine Druckfeder 218 ist in dem Hohlraum 215 vorgesehen, um das bewegliche Ventilelement 212 nach oben gegen eine Dichtungsfläche 220 des schwimmenden Stifts 216 zu drängen. Die Dichtungsfläche 220 wirkt mit einem Ventilsitz 222 zusammen, der in dem Hohlraum 21 S des bewegliches Ventilelements 212 konzentrisch ausgebildet ist. Das bewegliche Ventilelement 212 enthält ferner eine quergerichtete Öffnung 224 zur Aufnahme eines Ventilhub-Einstellbolzens 226. Der Ventilhub-Einstellbolzen 226 enthält Endabschnitte 228 und 230, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, und einen Zwischenabschnitt 232 mit versenkten bzw. ausgenommenen Oberflächen. Der Bolzen 226 ist in Fig. 12 genauer dargestellt.
Wie aus Fig. 12 ersichtlich, weisen die Endabschnitte 228 und 230 des Bolzens 226 im wesentlichen rechteckige Querschnitte auf, und der Zwischenabschnitt 232 des Bolzens enthält ausgenommene Oberflächen, von welchen die Oberflächen 234 und 236 dargestellt sind. Jede der Zwischenflächen 234 und 236 wie auch jene Oberflächen, die nicht dargestellt sind, sind mit einem vorbestimmten Abstand zu den entsprechenden Oberflächen der Endabschnitte 228 und 230 ausgenommen bzw. vertieft, wobei die Tiefe jeder der ausgenommenen Oberflächen in bezug auf eine benachbarte Oberfläche unterschiedlich ist. Wenn daher der Bolzen 226 in dem Ventilgehäuse 202 angeordnet ist und bevor er von einer Halterung 238 in einer unveränderlichen Position gehalten wird, kann der Bolzen 226 in jede gewünschte Position gedreht werden, um eine obere Begrenzung für den schwimmenden Stift 216 und somit eine obere Bewegungsbegrenzung für das bewegliche Ventilelement 212 zu bilden. Die Halterung 238 enthält eine mittlere Öffnung 240 zur Aufnahme des beweglichen Ventilelements 212 sowie Gewindegänge 242 für das Verschrauben mit dem Ventilgehäuse 202, so daß gewährleistet ist, daß der Bolzen 226 sicher gegen die Oberfläche 244 des Ventilgehäuses 202 gepreßt wird. Ferner kann festgestellt werden, daß eine obere Oberfläche 246 des schwimmenden Stifts 216 in Form einer Krone nach außen konkav ist, so daß keine Möglichkeit einer Seitenbelastung des Kolbens besteht, welche die freie Bewegung des beweglichen Ventilelements 212 hemmen könnte.
Beim Einschalten wird das bewegliche Ventilelement 212, wie in Fig. 11 dargestellt, nach unten verschoben, da der radiale Flansch 248 zu dem Elektromagneten 214 gezogen wird. Da der radiale Flansch 248 an einer Verlängerung des beweglichen Ventilelements 212 befestigt ist, wird das bewegliche Ventilelement 212 nach unten verschoben oder geschoben, wobei eine Dichtungsfläche 250 des beweglichen Ventilelements 212 mit einem Ventilsitz 252 in Kontakt gelangt, der in dem Gehäuse 202 ausgebildet ist. Dadurch wird der Fluidströmungsweg zwischen dem Hochdruckfluid-Versorgungsdurchlaß 206 und dem Auslaßdurchlaß 208 geöffnet, während die Fluidverbindung zwischen dem Auslaßdurchlaß 208 und dem Auslaufdurchlaß 210 abgedichtet wird.
Wie in den früheren Ausführungsbeispielen ist das Dreiwegemagnetventil 200, das in Fig. 10 im abgeschalteten Zustand dargestellt ist, druckausgeglichen, da die Fluiddruckkräfte, die nach oben auf das bewegliche Ventilelement 212 in der Hochdruckkammer 254 wirken, wie auch die Fluiddruckkräfte, die in dieser Kammer nach unten wirken, gleich sind. In bezug auf das Ventil im eingeschalteten Zustand, wie in Fig. 11 dargestellt, muß der Durchmesser d&sub9; des schwimmenden Stifts 216 gleich dem Durchmesser d&sub1;&sub0; der Kammer 256 sein, die unter dem beweglichen Ventilelement 212 ausgebildet ist, damit das Ventil im eingeschalteten Zustand druckausgeglichen ist. Das heißt, die Ventilsitze 222 und 252 müssen gleich sein, damit garantiert ist, daß das Dreiwegemagnetventil gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowohl im eingeschalteten als auch im abgeschalteten Zustand druckausgeglichen ist.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, aber für den Fachmann sollte offensichtlich sein, daß die Erfindung auf andere Weise als insbesondere hierin beschrieben ausgeführt werden kann, ohne sich vom Wesen und Umfang der Erfindung zu entfernen. Es versteht sich daher, daß das Wesen und der Umfang der Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche begrenzt werden.
Wie zuvor besprochen wurde, kann das druckausgeglichene Dreiwegemagnetventil der vorliegenden Erfindung einfach zur Steuerung eines Luft-, Hydraulikfluid- oder Kraftstoffstroms in einer Vielzahl bekannter pneumatischer, hydraulischer und Kraftstoff-Systeme angepaßt werden, wo Hochdruckkraftstoff zu einer Lastvorrichtung geleitet wird. Diese Lastvorrichtung kann ein pneumatischer oder hydraulischer Zylinder sein oder kann einer oder mehrere Kraftstoffinjektoren eines Verbrennungsmotors sein. Insbesondere kann das druckausgeglichene Dreiwegemagnetventil der vorliegenden Erfindung einfach zur Steuerung des Einspritzzyklus eines Verbrennungsmotors verwendet werden, wo es wünschenswert ist, den anfänglichen Einspritzbeginn so zu steuern, daß ein langsamer Start bzw. Anstieg und ein abruptes Ende des Einspritzzyklus erhalten wird.

Claims

1. Druckausgeglichene Dreiwegeventilanordnung, die aufweist:

ein Ventilgehäuse (2; 102; 202), das eine Ventilkammer (4; 104; 204) und einen ersten, zweiten und dritten Ventildurchlaß (8, 6, 10; 108, 110, 106; 208, 206, 210), die mit der Ventilkammer (4; 104; 204) in Verbindung stehen, enthält;

ein bewegliches Ventilelement (12; 112; 212), das in die Ventilkammer (4; 104; 204) eingebaut ist zur Hin- und Herbewegung zwischen

i. einer ersten Position, in welcher der dritte Ventildurchlaß (10; 106; 210) von dem ersten und zweiten Ventildurchlaß (8, 6; 108, 110; 208, 206) getrennt ist und der erste und zweite Ventildurchlaß (8, 6; 108, 110; 208, 206) in Fluidverbindung stehen, und

ii. einer zweiten Position, in welcher der zweite Ventildurchlaß (6; 110; 206) von dem ersten und dritten Ventildurchlaß (8, 10; 108, 106; 208, 210) getrennt ist und der erste und dritte Ventildurchlaß (8, 10; 108, 106; 208, 210) in Fluidverbindung stehen;

einen ersten Ventilsitz (38; 130; 252), der in der Ventilkammer (4; 104; 204) angeordnet und so positioniert ist, daß er geschlossen wird, wenn sich das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in der ersten Position zur Trennung des dritten Ventildurchlasses (10; 106; 210) von dem ersten und zweiten Ventildurchlaß (8, 6; 108, 110; 208, 206) befindet und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Ventildurchlaß (8, 6; 108, 110; 208, 206) ermöglicht;

dadurch gekennzeichnet,

daß das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) einen Hohlraum (14; 115, 215) enthält, der sich in ein Ende des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) öffnet;

daß ein schwimmender Stift (16; 114; 216) teleskopisch in dem Hohlraum (14; 115; 215) des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) aufgenommen ist;

daß ein zweiter Ventilsitz (44; 134; 222) in dem Hohlraum (14; 115; 215) des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) angeordnet ist, wobei der zweite Ventilsitz (44; 134; 222) so angeordnet ist, daß er durch den schwimmenden Stift (16; 114; 216) geschlossen wird, wenn sich das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in der zweiten Position zum Abdichten des zweiten Durchlasses (6; 110; 206) von dem ersten und dritten Ventildurchlaß (8, 10; 108, 106; 208, 210) befindet und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dritten Ventildurchlaß (8, 10; 108, 106; 208, 210) ermöglicht;

daß Spannmittel vorgesehen sind, die den schwimmenden Stift (16; 114; 216) veranlassen, dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) zu folgen, um den zweiten Ventilsitz (44; 134; 222) geschlossen zu halten, wenn das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) aus der zweiten Position in die erste Position vorgeschoben wird; und

daß ein Vorschubanschlagmittel vorgesehen ist, welches verhindert, daß der schwimmende Stift (16; 114; 214) dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) über den gesamten Weg zu der ersten Position folgt, um dadurch sicherzustellen, daß der zweite Ventilsitz (44; 134; 222) geöffnet wird, bevor das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) die erste Position erreicht.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwimmende Stift (16) einen radialen Flansch (24) umfaßt und das Vorschubanschlagmittel eine Beilagscheibe bzw. Distanzscheibe (26) enthält, die so angeordnet ist, daß sie mit dem radialen Flansch (24) während des Vorschubs des beweglichen Ventilelements (12) in Eingriff gelangt, wobei die Distanzscheibe (26) so ausgebildet ist, daß sie entfernt und durch eine andere Distanzscheibe mit einer anderen Axiallänge ersetzt werden kann, um den Punkt während des Vorschubs des beweglichen Ventilelements (12) zu ändern, an dem ein weiterer Vorschub des schwimmenden Stifts (16) angehalten wird, um den zweiten Ventilsitz (44) zu öffnen.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ventildurchlaß (16; 110; 206) an eine Hochdruckfluidversorgung anschließbar ist, wobei durch den Eingriff des Vorschubanschlages mit dem schwimmenden Stift (16; 114; 216) und den weiteren Vorschub des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) der zweite Ventilsitz (44; 134; 222) geöffnet wird, um den schwimmenden Stift (16; 114; 216) dem Druckfluid auszusetzen, so daß der schwimmende Stift (16; 114; 216) in seine vollständig zurückgezogene Position zurückschoben wird, wodurch der zweite Ventilsitz (44; 134; 222) vollständig geöffnet wird.

4. Ventilanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlagmittel für den Eingriff mit dem schwimmenden Stift (16; 114; 216) bei der Rückkehr des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) vorgesehen sind, um die zweite Position zu definieren, und daß Spannmittel zum Spannen des schwimmenden Stifts (16; 114; 216) zu dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) vorgesehen sind, um den Aufprall bzw. Zusammenstoß des schwimmenden Stiftes (16; 114; 216) mit dem Anschlagmittel zu dämpfen.

5. Ventilanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) eine eng sitzende Fluiddichtung bildet, die einen ersten Spalt mit dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) bildet, daß der schwimmende Stift (16; 114; 216) eine eng sitzende Fluiddichtung bildet, die einen zweiten Spalt mit dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) bildet, und daß das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) ein Mittel zum Verringern des Fluidleckens umfaßt, welches die Fluidmenge verringert, die durch den ersten und zweiten Spalt lecken kann, wobei das Mittel zum Verringern des Fluidleckens einen kleinen Durchlaß (52) zur Verbindung des ersten und zweiten Spaltes umfaßt, der in dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) enthalten ist.

6. Ventilanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Spalt an einem Ende mit einem hohen Fluiddruck und an dem anderen Ende mit einem niederen Fluiddruck in Verbindung stehen, wobei der erste Spalt durch den Fluiddruck anders verformt wird als der zweite Spalt, und/oder daß der kleine Durchlaß (52) näher zu dem Niederdruckende als zu dem Hochdruckende der Spalte positioniert ist.

7. Ventilanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein Elektromagnetmittel aufweist, um das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) im erregten Zustand in seine zweite Position vorzuschieben und um ein Zurückziehen des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) in seine erste Position im aberregten Zustand zu gestatten, und daß die Ventilsitze (38, 44; 130, 134; 252, 222), das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) und die Ventilkammer (4; 104; 204) so geformt und positioniert sind, daß das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in der ersten Position fluidkräfteausgeglichen ist, und daß Fluidkräfte, die dazu tendieren, das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in eine Richtung zu bewegen, die sich aus der Zuführung von Fluiddruck ergibt, der auf das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) zwischen dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) und dem schwimmenden Stift (16; 114; 216) wirkt, im wesentlichen durch Fluidkräfte ausgeglichen sind, die dazu tendieren, das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in eine entgegengesetzte Richtung zu bewegen, die sich aus der Zuführung von Fluiddruck ergibt, der auf das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) zwischen dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) und dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) wirkt, wenn sich das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in der zweiten Position befindet.

8. Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) ein erstes Ende und ein zweites Ende, das von dem ersten Ende axial beabstandet ist, aufweist, wobei die Fluidkräfte, die dazu tendieren, das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, sich aus der Zuführung von Fluiddruck ergeben, der auf das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) zwischen dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) und dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) wirkt.

9. Ventilanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnehmung bzw. Vertiefung vorgesehen ist, die in dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) radial zwischen dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) und dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) ausgebildet ist, wobei die ausgleichenden Fluidkräfte, die dazu tendieren, das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, sich aus der Zuführung von Fluiddruck ergeben, der auf das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in der Ausnehmung zwischen dem beweglichen Ventilelement (12; 112; 212) und dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) wirkt.

10. Ventilanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromagnetbetätigungsmittel zur Steuerung der Ventilanordnung durch Verschieben des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) zwischen der ersten und zweiten Position, wobei das Elektromagnetoperatormittel an einer Seite des Ventilgehäuses (2; 102; 202) angebracht ist, sowie Anschlagmittel vorgesehen sind, die an dem Ventilgehäuse (2; 102; 202) gegenüber dem Elektromagnetbetätigungsmittel angebracht sind, um eine Einstellung in eine der Positionen des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) zu ermöglichen, und die einen schwimmenden Stift (16; 114; 216), der teleskopisch in einem Ende des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) aufgenommen ist, sowie einen einstellbaren Rückzugsanschlag (18; 116) umfaßt, der für einen Eingriff mit einem Ende des schwimmenden Stiftes (16; 114; 216) angebracht ist, wenn das bewegliche Ventilelement (12; 112; 212) in eine der Positionen bewegt wird, wobei der Rückzugsanschlag (18; 116) selektiv einstellbar ist, um die entsprechende Position des beweglichen Ventilelements (12; 112; 212) zu ändern.