DE19801363A1 - Mehrstufen-Ventil, insbesondere Magnetventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrstufen-Ventil, insbesondere Magnetventil, mit einem Betätigungsele­ ment, das mindestens drei definierte Stellungen hat, und einem ihm folgenden Verschlußelement, das in der ersten Stellung das Ventil schließt, in der zweiten Stellung einen begrenzten Durchfluß erlaubt und in der dritten Stellung das Ventil voll öffnet.

Ein solches Mehrstufen-Ventil ist aus DE 37 00 356 A1 bekannt. Es ist insbesondere für Kraftstoffeinspritzan­ lagen bestimmt. Das Verschlußelement ist ein Schieber, der einstückig mit einem Tauchanker ausgebildet ist. Es sind zwei Magnetspulen vorgesehen, von denen beide, ei­ ne oder keine mit Erregerstrom versorgt werden kann. Dementsprechend nimmt der Schieber unter dem Einfluß der Magnetkraft und entgegengerichteter Federkräfte ei­ ne von drei Stellungen ein. Der Schieber weist eine Ringnut auf, die mit einer Ringnut im Gehäuse zusammen­ wirkt. Bei voller Überdeckung der Ringnuten ergibt sich der maximale Durchfluß, bei fehlender Überdeckung ist das Ventil gesperrt. Bei einer Teilüberdeckung ergibt sich ein begrenzter Durchfluß. Letzterer ist allerdings äußerst toleranzempfindlich. Schon Variationen der Po­ sition des Schiebers um wenige Zehntel mm führen zu er­ heblichen Durchflußmengenänderungen, typischerweise mit einem Faktor von 2 bis 4. Dies gilt erst recht, wenn ein sehr kleiner Flüssigkeitsdurchfluß eingestellt wer­ den soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrstu­ fen-Ventil der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem sich der begrenzte Durchfluß sehr genau ein­ stellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verschlußelement einen Ventilteller, der mit einem gehäusefesten Ventilsitz zusammenwirkt, aufweist und einen Blendenkörper, der eine den Durchfluß bestimmen­ den Blende mit festen Abmessungen begrenzt, beim Über­ gang von der zweiten zur dritten Stellung aus einer wirksamen in eine unwirksame Position mitnimmt.

Bei dieser Konstruktion wird die begrenzte Durchfluß­ menge durch eine Blende mit festen Abmessungen be­ stimmt. Die Durchflußmenge ist daher mit hoher Genauig­ keit festgelegt. Weil der Blendenkörper durch das Ver­ schlußelement mitgenommen wird, kann man die Blende in der dritten Stellung unwirksam machen.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die Blende durch den Ringspalt zwischen der Ventilsitzbohrung und einem ringscheibenförmigen Blendenkörper gebildet ist, der mit Abstand vom Ventilteller am Verschlußelement ange­ bracht ist. Solange sich der Blendenkörper in dem Ven­ tilsitz befindet, ist die Blende wirksam; sie wird un­ wirksam, sobald der Blendenkörper aus der Ventilsitz­ bohrung ausgetreten ist.

Eine ebenfalls bevorzugte Alternative besteht darin, daß die Blende durch mindestens ein Loch in einem plat­ tenförmigen Blendenkörper gebildet ist, der zwischen Verschlußstück und Ventilsitz angeordnet ist und durch einen Anschlag am Verschlußelement beim Übergang von der zweiten zur dritten Stellung mitgenommen wird. Hier sorgt der nach einem Tothub wirksame Anschlag dafür, daß die Blende vom Ventilsitz abgehoben und dadurch un­ wirksam gemacht wird.

Empfehlenswert ist es ferner, daß das Verschlußelement mit einem Servoelement verbunden ist, der einen Servo­ ventilsitz trägt, und daß das Betätigungselement das Servoventilverschlußstück trägt, wobei beim Öffnen des Servoventils eine Druckkammer auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite des Servoelements zur Niederdruck­ seite hin druckentlastet wird. Durch die Verwendung des Servoventils ist das Betätigungselement von allen Bela­ stungen entkoppelt, die auf Ventilteller, Blendenkörper u. dgl. wirken können. Man erhält daher mit geringen Stellkräften eine sehr genaue Positionierung, der sich das Verschlußelement unverzüglich anpaßt.

Günstig ist es auch, daß das Betätigungselement durch einen Tauchanker eines eine Spule aufweisenden Elektro­ magneten gebildet ist, daß ein Steuergerät vorgesehen ist, das der Spule unterschiedliche, den drei Stellun­ gen entsprechende Erregerströme zuführt, und daß der Tauchanker durch eine schwächere Feder belastet ist, die sich an einem Anschlag abstützt, der durch eine stärkere Feder belastet ist, die wiederum an einem An­ schlag abgestützt ist. Durch Einstellung der entspre­ chenden Erregerströme ergeben sich automatisch die drei Stellungen, die für die Steuerung des Ventils erforder­ lich sind.

In diesem Zusammenhang ist es auch zu empfehlen, daß die zusammenwirkenden Flächen des Tauchankers und eines Kernstopfens Konusflächen sind. Hierdurch erreicht man eine angenähert lineare Kraft-Weg-Charakteristik. Es wird dadurch leichter, die erforderlichen Federkräfte den Magnetkräften anzupassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehr­ stufen-Ventils und

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform.

Ein Ventilgehäuse 1 weist einen Eintrittsstutzen 2 und einen Austrittsstutzen 3 sowie einen Ventilsitz 4 auf. Ein Servoelement 5 in der Form eines Servokolbens bil­ det mit seiner Unterseite ein Verschlußstück 6 in der Form eines Ventiltellers. Zwischen Verschlußstück 6 und Ventilsitz 4 befindet sich ein plattenförmiger Blendenkörper 7, der mehrere Löcher aufweist, die ge­ meinsam eine Blende 8 mit festen Abmessungen bilden. Der plattenförmige Blendenkörper 7 kann aus mehreren Schichten bestehen. Das Servoelement 5 trägt einen Hohlstift 9, der am oberen Ende einen Servoventilsitz 10 aufweist und von einer das Servoelement 5 in Schließrichtung belasteten Feder 11 umgeben ist. Mit dem Servoventilsitz 10 arbeitet ein Servoventilver­ schlußstück 12 zusammen, das von einem Betätigungsele­ ment, hier dem Tauchanker 13 eines Magnetventils 14, getragen wird.

Der Elektromagnet 14 weist eine Spule 15 und einen Kern 16 auf, zu dem auch ein Kernstopfen 17 gehört. Die zu­ sammenwirkenden Flächen 18 und 19 des Tauchankers 13 und des Kernstopfens 17 sind Konusflächen. Das Ganze ist in einen isolierenden Kunststoffmantel 20 einge­ hüllt. Der Kern 16 ist an einen Erdleiter 21 ange­ schlossen. Die Spule 15 ist über einen Anschluß 22 mit einem Steuergerät 23 verbunden, das Erregerströme un­ terschiedlicher Größe zu liefern vermag.

Der Tauchanker 13 ist durch eine schwächere Feder 24 belastet, der sich an der Stufe eines Stiftes 25 ab­ stützt. Dieser Stift wird durch eine stärkere Feder 26 gegen einen Anschlag 27 im Kernstopfen 17 gedrückt und stützt sich ihrerseits an einem gehäusefesten Anschlag 28 ab. In der Ruhestellung hat der Stift 25 einen klei­ nen Abstand von einer Anschlagfläche 29 des Tauchankers 13.

Auf der dem Ventilsitz 4 abgewandten Seite des Servo­ elements 5 befindet sich eine Druckkammer 30, die über eine Drosselbohrung 31 mit dem eingangsseitigen Druck versorgt wird, so daß das Verschlußstück 6 gegen den plattenförmigen Blendenkörper 7 und dieser gegen den Ventilsitz 4 gedrückt wird. Wenn das Servoventilver­ schlußstück 12 vom Servoventilsitz 10 abgehoben wird, wird der Druck in der Druckkammer 30 zur Niederdruck­ seite 32 hin entlastet, wodurch sich das Servoelement 5 nach oben bewegt, bis das Servoventil wieder geschlos­ sen hat. Das Servoelement 5 und damit das Verschluß­ stück 6 folgen daher der Bewegung des Tauchankers 13.

Wird kein Erregerstrom zugeführt, nehmen die Teile die in Fig. 1 veranschaulichte Lage ein. Der in der ersten Stellung befindliche Tauchanker 13 verschließt mit sei­ nem Servoventilverschlußstück 12 den Servoventilsitz 10. Die Feder 11 drückt das Verschlußstück 6 auf den plattenförmigen Blendenkörper 7 und diesen auf den Ven­ tilsitz 4. Das Ventil ist geschlossen.

Wird das Magnetventil 14 mit einem kleinen Erregerstrom versorgt, wird der Tauchanker 13 nach oben bewegt, bis er mit seiner Anschlagfläche 29 gegen den Stift 25 an­ schlägt, so daß die stärkere Feder 26 wirksam wird und eine weitere Bewegung des Tauchankers 13 verhindert. Hierdurch wird die Blende 8 wirksam.

Wird ein größerer Erregerstrom zugeführt, wird die Kraft der stärkeren Federn 26 überwunden und der Tauchanker 13 bewegt sich zusammen mit dem Stift 25 nach oben, bis der Anschlag 28 erreicht ist. Das Servo­ element mit dem Verschlußstück 6 folgt. Am Servoelement 5 ist ein Anschlag 33 angebracht, der den Blendenkörper 7 mitnimmt, sobald sich das Servoelement 5 aus der zweiten in die dritte Stellung bewegt. Das Ventil nimmt nunmehr eine große Öffnungsstellung ein.

Sobald der Erregerstrom unterbrochen ist, kehrt das Servoelement 5 unter dem Einfluß der Feder 11 und dem Druck in der Druckkammer 30 in die Schließstellung zu­ rück.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind nur wenige Ab­ wandlungen zu beachten. Das Servoelement 105 trägt ein Verschlußstück 6 in der Form eines Ventiltellers, der unmittelbar mit dem Ventilsitz 104 zusammenwirkt. In die Bohrung 140 des Ventilsitzes 104 greift ein ringscheibenförmiger Blendenkörper 107. Eine Blende mit festen Abmessungen wird durch einen Ringspalt 141 zwi­ schen dem Umfang des Blendenkörpers 107 und der Wand der Bohrung 140 des Sitzes 104 gebildet. Der ringschei­ benförmige Blendenkörper 107 hat einen geringen Abstand von dem Verschlußstück 106. Er tritt aus der Bohrung 140 heraus, wenn sich der Servoelement 105 aus der zweiten Stellung in die dritte Stellung bewegt.

Bei einem Ausführungsbeispiel galten die folgenden Da­ ten:
Bei Stellung 1, also ohne Erregerstrom, war das Ventil geschlossen. Der Luftspalt zwischen den Konusflächen 18 und 19 betrug 6 mm.

Bei Stellung 2, die mit einem Spulenstrom von 300 nA erreicht wurde, betrug die Hubhöhe des Ventiltellers 6 0,5 bis 1 mm, so daß der Luftspalt zwischen den Konus­ flächen 18 und 19 eine Größe von 5 bis 5,5 mm hatte. Die über die Blende 8 abgegebene Fördermenge lag bei 2 bis 3 l/min bei einem Druck von 1 bar. Hier genügte demnach ein im Vergleich zum Gesamthub sehr kleiner Hub.

Bei Stellung 3, die mit einem Erregerstrom von 500 nA erreicht wurde, lag die Hubhöhe des Verschlußstückes 6 bei 5,5 bis 6 mm, was einem Luftspalt zwischen den Ko­ nusflächen 18 und 19 von 0,5 bis 1 mm entsprach. Es er­ gab sich ein voller Durchfluß über den freien Ventil­ sitz 4. Die Fördermenge betrug 40 l/min bei 0,3 bar.

Abwandlungen von den dargestellten Ausführungsbeispie­ len sind in vielfacher Hinsicht möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So kann die Verstellung der Ventilteller in mehrere verschiedene Positionen auch durch andere Betätigungselemente als einen Tauchanker 13 vorgenommen werden. Das Servoele­ ment kann auch eine Servomembran sein. Statt eines An­ schlags für die Bestimmung der dritten Stellung kann man auch die Gleichgewichtslage zwischen Magnetkraft und Federkraft zur Positionierung wählen. Es ist daher möglich, durch eine Verstellung des Erregerstroms oder der Federkraft die maximale Öffnung des Ventils zu än­ dern.

Claims (6)

1. Mehrstufen-Ventil, insbesondere Magnetventil, mit einem Betätigungselement, das mindestens drei defi­ nierte Stellungen hat, und einem ihm folgenden Ver­ schlußelement, das in der ersten Stellung das Ven­ til schließt, in der zweiten Stellung einen be­ grenzten Durchfluß erlaubt und in der dritten Stel­ lung das Ventil voll öffnet, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verschlußelement (6; 106) einen Ven­ tilteller, der mit einem gehäusefesten Ventilsitz (4; 104) zusammenwirkt, aufweist und einen Blenden­ körper (7; 107), der eine den Durchfluß bestimmen­ den Blende mit festen Abmessungen begrenzt, beim Übergang von der zweiten zur dritten Stellung aus einer wirksamen in eine unwirksame Position mit­ nimmt.

2. Mehrstufen-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende (108) durch den Ringspalt zwischen der Ventilsitzbohrung (140) und einem ringscheibenförmigen Blendenkörper (107) gebildet ist, der mit Abstand vom Ventilteller am Verschluß­ element (106) angebracht ist.

3. Mehrstufen-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende (8) durch mindestens ein Loch in einem plattenförmigen Blendenkörper (7) ge­ bildet ist, der zwischen Verschlußstück (6) und Ventilsitz (4) angeordnet ist und durch einen An­ schlag (33) am Verschlußelement (6) beim Übergang von der zweiten zur dritten Stellung mitgenommen wird.

4. Mehrstufen-Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (6; 106) mit einem Servoelement (5; 105) verbunden ist, der einen Servoventilsitz (10) trägt, und daß das Betätigungselement (Tauchanker 13) das Servo­ ventilverschlußstück (12) trägt, wobei beim Öffnen des Servoventils eine Druckkammer (30) auf der dem Ventilsitz (4; 104) abgewandten Seite des Servoele­ ments (5; 105) zur Niederdruckseite (31) hin druckentlastet wird.

5. Mehrstufen-Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement durch einen Tauchanker (13) eines eine Spule (15) aufweisenden Elektromagneten (14) gebildet ist, daß ein Steuergerät (23) vorgesehen ist, das der Spule (15) unterschiedliche, den drei Stellungen entspre­ chenden Erregerströme zuführt, und daß der Tauch­ anker (13) durch eine schwächere Feder (24) bela­ stet ist, die sich an einem Anschlag (27) abstützt, der durch eine stärkere Feder (26) belastet ist, die wiederum an einem Anschlag (28) abgestützt ist.

6. Mehrstufen-Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusammenwirkenden Flächen (18, 19) des Tauchankers (13) und eines Kernstopfens Ko­ nusflächen sind.