DE19934713A1

DE19934713A1 - Schnellöffnendes elektromagnetisches Ventil

Info

Publication number: DE19934713A1
Application number: DE19934713A
Authority: DE
Inventors: Stephen R Lewis; Charles B Looney; Larry R Jun Mitzelfelt; David E Martin; James D Griffith; Kenneth A Caron; William T Groff; J Duwayne Manahan; Avtar S Sandhu; Wade J Robel
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2000-03-23
Also published as: GB9914962D0; JP2000045904A; US6029682A; GB2339847A; GB2339847B

Abstract

Ein Kolben gleitet in einer Bohrung, um ein Ventil zu öffnen und zu schließen. Ein relativ zum Kolben beweglicher Anker ist in einer ersten Richtung vorgespannt. Ein Kupplungsvorspannglied spannt den Anker und den Kolben zueinander hin vor. Wenn ein Elektromagnet betätigt wird, bewegt sich der Anker und der Kolben in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung, bis der Kolben durch Kraft mit einem Sitz in der Bohrung in Eingriff kommt, was das Ventil schließt und die Kolbenbewegung stoppt. Der Anker bewegt sich weiter in der zweiten Richtung, was bewirkt, daß die Kupplung zusätzliche Kraft aufbringt, um den Kolben gegen den Sitz in Eingriff zu halten, bis der Anker eine zweite Position erreicht, wo er durch Kraft mit dem Kolben in Eingriff kommt. Dies stoppt die Bewegung des Ankers weiter in der zweiten Richtung, gestattet es jedoch dem stationären Anker, weiter eine Kraft aufzubringen, um den Kolben gegen den Sitz in Eingriff zu halten. Wenn der Elektromagnet entregt wird, sendet die Ankervorspannung den Anker zurück in der ersten Richtung, bis er auf den Kolben trifft, was bewirkt, daß der Kolben schnell vom Sitz abhebt, wobei somit das Ventil geöffnet wird. Eine ordnungsgemäße Konfiguration der Kolben- und Bohrungsgeometrien in der Nachbarschaft des Sitzes verhindert, daß sich statischer Druck entwickelt, der anderenfalls die Kolbenventilöffnung verhindern könnte.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf elektromagne tische Ventile und insbesondere auf elektromagnetische Kolbenventile bei Brennstoffversorgungssystemen.

Hintergrund

Bei vielen Ventilen, beispielsweise Sitzventilen für Brennstoffeinspritzvorrichtungen wird eine Betätigungs vorrichtung verwendet, um einen Kolben, das Sitzelement (poppet) beispielsweise zu einer von mindestens zwei Po sitionen zu ziehen, wobei in einer davon der Kolben mit einem Sitz in Eingriff steht (um das Ventil zu öffnen oder zu schließen) und wobei in einer davon der Kolben nicht mit dem Sitz in Eingriff steht. Bei dieser Art von Ventil ist die Steuerung der Kolbenbewegung zu und weg von seiner Sitzposition wünschenswert. Es ist beispiels weise wichtig, sicherzustellen, daß an der Grenze der Be wegung des Ankers unter der Wirkung des Elektromagneten ein Luftspalt zwischen dem Anker und den Polstirnseiten des Elektromagneten bleibt.

Zusätzlich wäre es vorteilhaft, den Kolben davon abzuhal ten, gegen den Sitz mit seiner vollständigen An kerantriebskraft gleichzeitig zu stoßen. Dies kann bei spielsweise dabei helfen, ein Springen bzw. Zurückprallen zu verhindern und die Produktlebensdauern zu vergrößern. Es wird auch bevorzugt, wenn der Kolben sich sehr schnell vom Sitz abhebt, wenn das Ventil sich in die offene Ven tilposition bewegen soll, um vollständig das Ventil zu öffnen, um den vollständigen erwünschten Strömungsmittel fluß so schnell wie möglich zu bekommen.

Eine Ventilanordnung, die ausgelegt ist, um die Kolbenbe wegung zu steuern, wird im US-Patent 4,869,462 von Logie und anderen gelehrt, welches am 26. September 1989 ausge geben wurde. Bei dieser Ventilanordnung gleitet ein Kol ben in einer Bohrung zu einer geschlossenen Ventilpo sition, in der der Kolben mit einem Sitz in Eingriff steht. Der Kolben wird elektromagnetisch in die geschlos sene Ventilposition durch einen Elektromagneten mit einem Anker angetrieben. Der Anker ist an einem holen Kupp lungsglied angebracht, welches gegen den Kolben durch ei ne Feder gehalten wird. Wenn der Anker den Kolben gegen den Sitz zieht, stoppt der Kolben, doch der Anker und das Kupplungsglied bewegen sich weiter, bis ein Flansch des Kopplungsgliedes gegen eine Anschlagoberfläche des ring förmigen Gehäuses trifft, welches an dem Elektromagnetge häuse angebracht ist. Die Kupplungsfeder ist vorgespannt, um das Kupplungsglied gegen den Kolben zu halten, und bringt dadurch eine zusätzliche Kraft auf, um den Kolben in seiner geschlossenen Ventilposition zu halten.

Ein Nachteil dieser Konstruktion ist es jedoch, daß wenn das Kupplungsglied stoppt, es gegen das Gehäuse drückt, so daß irgendeine zusätzliche Kraft die durch das Anzie hen des Ankerkupplungsglieds zum Elektromagneten bewirkt wird, verloren geht. Es wäre wünschenswert zu gestatten, daß eine zusätzlich Kraft verwendet wird, um den Kolben gegen den Sitz zu halten.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der obigen Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der Erfindung weist ein elektroma gnetisches Ventil in einem Brennstoffversorgungssystem einen Ventilkörper auf, der eine Bohrung mit zumindest einem Sitz darin aufweist. Eine Shuttle- bzw. Mitnahmean ordnung, die einen Kolben aufweist, ist in der Bohrung angeordnet, so daß sie zumindest zwischen einer offenen Ventilposition, in der der Kolben von dem Sitz beabstan det ist, und einer geschlossenen Ventilposition gleiten kann, in der der Kolben durch Kraft mit dem Sitz in Ein griff steht.

Eine Ankeranordnung ist mit dem Ventilkörper verbunden. Der Anker ist bezüglich der Shuttle- bzw. Mitnahmeanord nung beweglich und ist bezüglich des Ventilkörpers ent lang eines Gesamtbewegungsbereiches beweglich, der in ei ner ersten Richtung eingeschränkt wird durch eine erste Ankerposition bezüglich des Ventilkörpers, in der die An keranordnung durch Kraft mit der Mitnahmeanordnung in Eingriff steht, und in einer zweiten Richtung entgegenge setzt zur ersten Richtung begrenzt wird durch eine zweite Ankerposition bezüglich des Ventilkörpers in der die An keranordnung durch Kraft mit der Mitnahmeanordnung in Eingriff steht.

Der Anker kann die erste Ankerposition nur erreichen, wenn der Kolben in der offenen Position ist. Der Anker kann die zweite Ankerposition nur erreichen, wenn der Kolben in der geschlossenen Position ist. Der Anker kann eine Zwischenposition zwischen der ersten Ankerposition und der zweiten Ankerposition erreichen, in der die An keranordnung nicht durch Kraft mit der Mitnahmeanordnung in Eingriff steht.

Ein Ankervorspannglied ist mit der Ankeranordnung verbun den, so daß es den Anker in einer ersten Richtung vor spannt. Ein Kupplungsvorspannglied ist mit der Ankeran ordnung und mit der Mitnahmeanordnung verbunden, so daß es die Ankeranordnung und die Mitnahmeanordnung zueinan der hin vorspannt.

Ein Elektromagnet ist mit dem Ventilkörper verbunden und ist betätigbar, um die Ankeranordnung in der zweiten Richtung zu bewegen. Die Ankeranordnung und die Mitnahme anordnung sind in dem Ventil derart angeordnet, daß im mer, wenn die Ankeranordnung in der zweiten Ankerposition ist, die Ankeranordnung davon abgehalten wird, sich ir gendwie weiter in der zweiten Richtung zu bewegen, und zwar durch den Krafteingriff der Ankeranordnung mit der Mitnahmeanordnung.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Ver fahren offenbart, um ein elektromagnetisches Ventil in einem Brennstoffversorgungssystem zu steuern, wo das Ven til einen Ventilkörper aufweist, und zwar mit einer Boh rung mit mindestens einem Sitz, mit einer Mitnahmeanord nung, die einen Kolben aufweist, der gleitend in der Boh rung angeordnet ist, mit einer Ankeranordnung, die beweg lich mit dem Ventilkörper verbunden ist und relativ zur Shuttle- bzw. Mitnahmeanordnung beweglich ist, und mit einem Elektromagneten, der mit dem Ventilkörper verbunden ist.

Bei diesem Verfahren wird der Anker in einer ersten Rich tung vorgespannt, was die Ankeranordnung und die Mitnah meanordnung zueinander hin vorspannt. Der Elektromagnet wird betätigt, um die Ankeranordnung in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung vor zuspannen. Die Ankeranordnung wird in die zweite Richtung bewegt.

Das Ventil wird geschlossenen durch Schieben des Kolbens in der zweiten Richtung, bis der Kolben kräftig mit dem Sitz in Eingriff kommt. Während der Kolben mit dem Sitz in Eingriff kommt und nicht in der Bohrung gleitet, wird die Ankeranordnung weiter in der zweiten Richtung bewegt, bis die Ankeranordnung durch Kraft mit der Mitnahmeanord nung in Eingriff kommt, wodurch sofort gestoppt wird, daß sich die Ankeranordnung weiter in die zweite Richtung be wegt.

Der Elektromagnet wird entregt bzw. abgeschaltet, um zu bewirken, daß die Ankeranordnung in der ersten Richtung läuft, bis sie die Mitnahmeanordnung trifft, um den Kol ben vom Sitz abzuheben. Das Ventil wird geöffnet durch Schieben des Kolbens in der Bohrung in der ersten Rich tung, so daß der Kolben vom Sitz beabstandet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine diagrammartige Schnittseitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in ei ner offenen Ventilposition;

Fig. 2 ist eine diagrammartige Schnittseitenansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 in einer geschlossenen Ventilposition;

Fig. 3 ist eine diagrammartige Schnittseitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfin dung in einer offenen Ventilposition;

Fig. 4 ist eine diagrammartige Schnittseitenansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 in einer geschlossenen Ventilposition;

Fig. 5 ist ein vergrößerter Teil der Fig. 3, der ein Ausführungsbeispiel einer ringförmigen Nut ver anschaulicht; und

Fig. 6 ist eine diagrammartige Schnittseitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer ring förmigen Nut.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel, welches die Erfindung verkör pert, wie es in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht wird, weist einen Ventilkörper 101 mit einer Körperendfläche 103 auf, einen Strömungsmitteldurchlaß 105 und eine Kör perbohrung 107 mit einer Achse senkrecht zur Endfläche 103. Der Ventilkörper 101 wird in der Position durch ein Gehäuse 111 gehalten. Ein Sitz 113 und ein Einlaßanschluß 115 werden in der Körperbohrung 107 geformt. Der Einlaß anschluß 115 ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Strömungsmitteldurchlaß 105.

Eine Shuttle- bzw. Mitnahmeanordnung, die zumindest einen Kolben 119 aufweist, ist in der Körperbohrung 107 gele gen. Der Kolben 119 ist zwischen einer offenen Ventilpo sition und einer geschlossenen Ventilposition verschieb bar. Eine Kolbenendfläche 125 des Kolbens 119 erstreckt sich über die Körperendfläche 103 hinaus und läuft durch eine Hubscheibe 127, die mit der Körperendfläche 103 in Eingriff steht und definiert einen Anschlag bzw. Stopp 131.

In einer offenen Ventilposition, wie sie in Fig. 1 ver anschaulicht wird, ist die Kolbenendfläche 125 bündig mit dem Anschlag 131 und der Hubscheibe 127. In einer ge schlossenen Ventilposition, wie in Fig. 2 veranschau licht, erstreckt sich die Kolbenendfläche 125 über den Anschlag 131 hinaus, und zwar um eine Distanz gleich dem Kolbenhub, und der Kolben 119 steht durch Kraft mit dem Sitz 113 in Eingriff, um den Strömungsmittelfluß zu bloc kieren. Die Figuren sind zur Vereinfachung der Erklärung übertrieben; die tatsächliche Kolbenbewegung zwischen den offenen und geschlossenen Ventilpositionen in diesem Aus führungsbeispiel ist ziemlich klein.

An einem Kolbenvorspannungsende 133 des Kolbens 119 ent gegengesetzt zur Endfläche umgibt eine Kolbenkammerwand 135 eine Kolbenvorspannkammer 137. Ein verschiebbares In nengehäuse 139 ist innerhalb einer Kolbenbohrung 141 im Kolben 119 gelegen, erstreckt sich durch die Kolbenvor spannkammer 137 und besitzt eine Länge, die geringfügig länger ist als der Kolben 119. Das Innengehäuse 139 weist einen Innengehäuseflansch 143 an einem Ende gegenüberlie gend zur Körperendfläche 103 des Ventilkörpers 101 auf. Eine Kolbenscheibe 145 drückt gegen den Innengehäuseflan sch 143. Die Kolbenkammerwand 135 in der Nähe des Innen gehäuseflansches 143 definiert einen Innengehäuseanschlag 147. Eine Kupplungsfeder 149 ist in Druckanordnung zwi schen der Kolbenscheibe 145 und einer Gegenbohrung bzw. Senkung 151 der Kolbenvorspannkammer 137 angeordnet.

In diesem Ausführungsbeispiel sind das Innengehäuse 139 und ein Anker 165 integrale Teile einer Ankeranordnung. Ein Innengehäusebolzen bzw. eine Innengehäuseschraube 153 ist in das Innengehäuse 139 geschraubt und verbindet ein Kupplungsglied 155 mit dem Innengehäuse 139. Das Kupp lungsglied 155 wiederum wird durch Ankerbolzen 163 mit dem Anker 165 gekuppelt. Eine Basisfeder 167 ist in einer Ausnehmung zwischen dem Kupplungsglied 155 und einem Elektromagneten 169 angeordnet.

Ein weiteres die Erfindung verkörperndes Ausführungsbei spiel wie es in Fig. 3 bis 5 veranschaulicht ist, weist einen Ventilkörper 201 mit einer Körperendfläche 203 auf, einen Strömungsmitteldurchlaß 205 und eine Körperbohrung 207 mit einer Achse 209 senkrecht zur Körperendfläche 203. Der Ventilkörper 201 wird an der Position durch ein Gehäuse 211 gehalten. Ein Sitz 213, ein Einlaßanschluß 215 und ein Ring 217 sind in der Körperbohrung 207 ausge bildet. Wie am besten in Fig. 5 zu sehen ist der Einlaß anschluß 215 in Strömungsmittelverbindung mit dem Strö mungsmitteldurchlaß 205. Der Ring 217 ist in Strömungs mittelverbindung mit vier horizontalen (nicht gezeigten) Überlaufleitungen im Ventilkörper 201.

Ein Kolben 219 ist gleitend innerhalb der Körperbohrung 207 angeordnet. Eine ringförmige Nut 221 im Kolben 219 zusammen mit der Körperbohrung 207 definiert ein strom aufwärts gelegenes Strömungsmittelflußvolumen (d. h. ein Volumen stromaufwärts des Sitzes 213) und zwar in Strö mungsmittelverbindung mit dem Einlaßanschluß 215. Ein Verfahren zur Konfiguration der ringförmigen Nut, welches erfolgreich mit dieser Verbindung kombiniert werden kann, ist in einer ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung of fenbart, die hiermit eingereicht wurde. Bei diesem Aus führungsbeispiel ist die ringförmige Nut 221 (Fig. 5) so konfiguriert, daß das effektive Flußgebiet bzw. der Strö mungsquerschnitt für das Strömungsmittel, welches in eine stromaufwärts gelegene Region 221a des stromaufwärts ge legenen Strömungsmittelflußvolumens vom Einlaßanschluß eintritt, effektiv gleich dem effektiven Flußgebiet bzw. Strömungsquerschnitt für Strömungsmittel ist, welches ei ne stromabwärts gelegene Region 221b verläßt (den Strö mungsquerschnitt für Strömungsmittel, welches zwischen dem Kolben und dem Sitz hindurchläuft), und zwar wenn der Kolben 209 sich zu seiner vom Sitz abgehobenen Position bewegt.

Ein Verfahren zur Berechnung des effektiven Strömungs querschnittes in der stromaufwärts gelegenen Region 221a, um diese Konfiguration zu erreichen, wie in der oben er wähnten ebenfalls anhängigen Anmeldung besprochen, ist es, den Fall des Strömungsmittels zu betrachten, welches von einem runden Anschluß auf eine nahe beiliegende fla che Platte fließt, wobei in diesem Fall der Strömungs querschnitt der Umfang des Anschlusses mal die Distanz des Anschlusses zur Platte ist. Somit ist ein guter Weg zum Ausgleich der jeweiligen Strömungsquerschnitte, die ringförmige Nut 221 so zu formen, daß der Kolben 209 die stromaufwärtsliegende Kante des Einlaßanschlusses 215 be rührt und sich weg vom Einlaßanschluß 215 in einer Rich tung stromabwärts winkelförmig erstreckt, wie am besten in Fig. 5 veranschaulicht, so daß (a) der Umfang des Einlaßanschlusses 215 multipliziert mit seinem mittleren Abstand vom Kolben 209 gleich (b) der Breite des Spaltes zwischen dem Sitz 213 und dem Kolben 209 multipliziert mit dem Umfang ist, der von der Mitte des Spaltes defi niert wird, der den Kolben 209 umgibt.

Eine Kolbenendfläche 225 des Kolbens 219 erstreckt sich über die Körperendfläche 203 und läuft durch eine Hub scheibe 227 mit einer Strömungsmitteldruckausgleichnut 229. Die Hubscheibe 227 kommt in Eingriff mit der Körper endfläche 203 und definiert einen Stopp bzw. Anschlag 231. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Ausdehnungs- bzw. Erweiterungsglied 239 und der Kolben 219 integrale Teile einer Shuttle- bzw. Mitnahmeanordnung. Das Erweite rungsglied 239 ist mit dem Kolben 219 durch einen Erwei terungsbolzen bzw. einer Erweiterungsschraube 253 gekop pelt und besitzt einen Erweiterungsflansch 243 an seinem Ende gegenüberliegend zum Kolben 219.

Der Kolben 219 ist verschiebbar zwischen einer offenen Ventilposition und einer geschlossenen Ventilposition. In einer offenen Ventilposition, wie in Fig. 3 und 5 veran schaulicht, ist die Kolbenendfläche 225 bündig mit dem Anschlag 231. In einer geschlossenen Ventilposition, wie in Fig. 4 veranschaulicht, erstreckt sich die Kolbenend fläche 225 über den Anschlag 231, und zwar um eine Di stanz gleich dem Kolbenhub. Die Figuren sind zur Verein fachung der Erklärung übertrieben; die tatsächliche Kol benbewegung zwischen den offenen und geschlossenen Ven tilposition in diesem Ausführungsbeispiel ist nur un gefähr 145 µm.

In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Kupplungsglied 225 und ein Anker 265 integrale Teile einer Ankeranordnung. Das Kupplungsglied 225 ist durch Ankerbolzen bzw. -schrauben 263 mit dem Anker 265 gekoppelt. Das Kupplungs glied 255 besitzt einen Kupplungsflansch 257 an seinem Ende gegenüberliegend zum Anker 265. Eine Kupplungswand 259 ist um das Erweiterungsglied 239 herum angeordnet und ist mit dem Erweiterungsflansch 243 in Eingriff zu brin gen. Alternative Ausführungsbeispiele können eine (nicht gezeigte) Kupplungsterrasse bzw. einen Kupplungsvorsprung aufweisen, der sich von der Kupplungswand 259 gegenüber liegend vom Kupplungsflansch 257 erstreckt und mit dem Erweiterungsflansch 243 in Eingriff zu bringen ist. Eine Kupplungsfeder 249 ist in Druckanordnung um das Erweite rungsglied 239 herum zwischen dem Erweiterungsflansch 243 und dem Kupplungsflansch 257 angeordnet.

Eine Basisfeder 267 ist in Druckanordnung zwischen einem Elektromagneten 269 und einer Vorspannplatte 271 angeord net, die fest mit dem Anker 265 gekoppelt ist.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Betrieb des in den Fig. 1 und 2 abgebildeten Aus führungsbeispiels wird der Elektromagnet 169 betätigt, um das Ventil aus seiner offenen Ventilposition (Fig. 1) in seine geschlossene Ventilposition (Fig. 2) zu bewegen. Wenn der Elektromagnet 169 betätigt wird, bewegen sich der Kolben 119, der Anker 165 und das Kupplungsglied 155 zum Elektromagneten 169 hin. Da das Innengehäuse 139 durch den Innengehäusebolzen 153 mit dem Kupplungsglied 155 verbunden ist, bewegt sich das Innengehäuse 139 auch zum Elektromagneten 169 hin, was eine Kraft vorsieht, die durch die Kupplungsfeder 149 zum Kolben 119 übertragen wird. Diese Kraft bewirkt, daß der Kolben 119 bewirkt, daß er sich in Kontakt mit dem Sitz 113 bewegt, wobei an diesem Punkt die Bewegung des Kolbens 119 zum Elektroma gneten 169 stoppt.

Jedoch gleitet das Innengehäuse 139 innerhalb des Kolbens 119, was gestattet, daß der Anker 165 und das Kupplungs glied 155 sich weiter zum Elektromagneten 169 hin bewe gen, und zwar gegen die von der Kupplungsfeder 149 ausge übte Kraft. Der Anker 165 und das Kupplungsglied 155 be wegen sich weiter bis der Innengehäuseflansch 143 des In nengehäuses 139 durch Kraft mit dem Innengehäuseanschlag 147 in Eingriff kommt, was den Anker 165 kurz vor dem Eingriff mit dem Elektromagneten 169 stoppt. An diesem Punkt ist das Kupplungsglied 155 von der Kolbenendfläche 125 beabstandet. Zusätzlich wird der Kolben 119 weiter gegen den Sitz 113 gedrückt, und zwar durch eine Kraft, die zumindest teilweise durch die Kraft bestimmt wird, die von dem Elektromagneten 169 entwickelt wird.

Wenn der Elektromagnet 169 entregt bzw. abgeschaltet wird, bewirkt die Kupplungsfeder 149, daß das Innenge häuse 139 zurück durch die Gegenbohrung bzw. Senkung 151 gleitet. Der Anker 165 und das Kupplungsglied 155 bewegen sich zum Kolben 119 hin, der schließlich die Kolbenend fläche 125 trifft. Der Stoß des Kupplungsglieds 155 gegen die Kolbenendfläche 125 bewirkt, daß der Kolben 119 sich schnell vom Sitz abhebt. Die Bewegung des Kolbens 119 wird abgefedert durch die Kupplungsfeder 149. Der Anker 165 bewegt sich weiter bis das Kupplungsglied 155 die Hubscheibe 127 berührt, die den Kolben 119 umgibt. An der offenen Ventilposition (Fig. 1) kann Strömungsmittel vom Einlaßanschluß 115 zwischen dem Kolben 119 und dem Sitz 113 fließen.

In dem in den Fig. 3 bis 5 abgebildeten Ausführungs beispiel wird der Elektromagnet 269 betätigt, um das Ven til aus seiner offenen Ventilposition (Fig. 3 und 5) in seine geschlossene Ventilposition (Fig. 4) zu bewe gen. Wenn der Elektromagnet 269 betätigt wird, bewegen sich der Kolben 219, der Anker 265 und das Kupplungsglied 255 zum Elektromagneten 269 hin. Die Kupplungsfeder 249 spannt den Kolben 219 weg vom Kupplungsglied 255 vor. Die Bewegung des Kupplungsflansches 257 sieht eine Kraft vor, die durch die Kupplungsfeder 249 zum Erweiterungsflansch 243 des Erweiterungsgliedes 239 übertragen wird. Dies be wirkt, daß der mit dem Erweiterungsglied 239 gekoppelte Kolben 219 sich um die Kolbenhubdistanz (ungefähr 145 µm bei diesem Ausführungsbeispiel) zur geschlossenen Ventil position bewegt. An diesem Punkt sitzt der Kolben 219 auf, d. h. er kommt durch Kraft mit dem Sitz 213 in Ein griff, der Strömungsmittelfluß durch das Ventil nimmt ab, und die Bewegung des Kolbens 219 zum Elektromagneten 269 hin stoppt.

Jedoch bewegen sich der Anker 265 und das Kupplungsglied 255 weiter zum Elektromagneten 269 hin (zusätzliche 70 µm in diesem Ausführungsbeispiel), was weiter die Kupplungs feder 249 und die Basisfeder 267 zusammendrückt, bis die Kupplungswand 259 kräftig bzw. durch Kraft mit dem Erwei terungsflansch 243 des Erweiterungsgliedes 239 in Ein griff kommt. Zu dieser Zeit gibt es immer noch einen Spalt zwischen dem Anker 265 und dem Elektromagneten 269. Die gesamte Kraft, die den Kolben 219 gegen den Sitz 213 vorspannt, ist nun gleich der gesamten Anzugskraft des Elektromagneten 269, die auf den Kolben 219, den Anker 265 und das Kupplungsglied 255 zusammen wirkt, und zwar abzüglich der zurückstoßenden Kraft der Basisfeder 267.

Wenn der Elektromagnet 269 entregt ist, bewirken die kom binierten Druckkräfte der Kupplungsfeder 249, die auf den, Kupplungsflansch 257 wirkt, und der Basisfeder 267, die auf den Anker 265 wirkt, daß sich das Kupplungsglied 255 schnell zum Kolben 219 hin bewegt. Wenn der Kupplungs flansch 257 die Kolbenendfläche 225 des Kolbens 219 trifft, hebt sich der Kolben 219 schnell vom Sitz 213 ab.

Die Konfiguration der ringförmigen Nut 221 (Fig. 1 und 2) in diesem Ausführungsbeispiel ist so, daß der effekti ve Strömungsquerschnitt in der stromaufwärtsliegenden Re gion 221a (der Strömungsquerschnitt für Strömungsmittel, welches in das stromaufwärts gelegene Strömungsmittel flußvolumen vom Einlaßanschluß eintritt) effektiv gleich dem Strömungsquerschnitt in der stromabwärts gelegenen Region 221b ist (der Strömungsquerschnitt für Strömungs mittel, welches zwischen dem Kolben und dem Sitz hin durchläuft) wenn der Kolben 209 sich zu seiner vom Sitz abgehobenen Position bewegt, wie oben erklärt. Dies eli miniert die Druckdifferenz zwischen den zwei Regionen 221a und 221b, so daß ein schnelles Abheben des Kolbens vom Sitz weiter erleichtert wird, und daß das Ventil den maximalen Strömungsmittelflußzustand so schnell wie mög lich erreicht.

Der Anker 265 und der Kolben 219 bewegen sich dann weiter bis das Kupplungsglied 255 den Anschlag 231 berührte der von der Hubscheibe 227 definiert wird, die den Kolben 219 umgibt. Dies stoppt die Bewegung des Kupplungsgliedes 255 und des Ankers 265. Wenn der Kolben 219 bündig mit der Hubscheibe 227 ist, ist er in seiner offenen Ventilposi tion und hat sich um eine Distanz gleich des Kolbenhubs bewegt. An diesem Punkt und darüber hinaus wird der Kol ben 219 als vollständig vom Sitz abgehoben und in der of fenen Ventilposition angesehen. Das Bewegungsmoment bzw. der. Impuls trägt den Kolben 219 um eine kleine Distanz über diesen Punkt hinaus, jedoch bringt die Kupplungsfe der 249 schnell den Kolben 219 in seine nominale voll ständig abgehobene Position bündig mit der Hubscheibe 227 und in Krafteingriff mit dem Anker 265 (d. h. hart gegen ihn gehalten) zurück.

Wenn er in seiner vollständig vom Sitz abgehobenen Posi tion ist, wird der Kolben 219 durch die Kupplungsfeder 249 gegen den Anker 265 gehalten, der selbst durch die Basisfeder 267 gegen die Hubscheibe 227 gehalten wird. Wie genauer in Fig. 5 zu sehen kann Strömungsmittel vom Strömungsmitteldurchlaß 205 durch den Einlaßanschluß 215 in die ringförmige Nut 221 über den Sitz 213 und in den Ring 217 fließen, wenn der Kolben 219 in seiner offenen Ventilposition (Fig. 3 und 5) ist.

Wie aus dem obigen zu sehen spannt zumindest ein Teil der Kraft zwischen dem Elektromagneten 169, 269 und dem Anker 165, 265 den Kolben 119, 219 weiter zu seiner Sitzpositi on hin vor, nachdem der Anker seine Bewegung weg vom Kol ben gestoppt hat. Dies hilft dabei, den Kolben abzuhal ten, momentan vom Sitz wegzuspringen, wenn beispielsweise die Ankerbewegung bezüglich des Kolbens stoppt. Der Kol ben hebt sich auch sehr schnell in seine vollständig vom Sitz abgehobene Position ab, wenn der Elektromagnet entregt bzw. abgeschaltet wird, da nachdem der Elektroma gnet entregt wird, der sich schnell bewegende Anker oder das Kupplungsglied 155, 255 sofort seinen Impuls auf den abgehobenen Kolben aufprägen kann.

Die Ausdrücke "durch Kraft in Eingriff" und "Kraftein griff" werden hier verwendet, um zwei Objekte zu be schreiben, die statisch gegeneinander drücken, so daß keine weitere Bewegung zwischen ihnen möglich ist. Solche Objekte sollen als in Krafteingriff angesehen werden, auch wenn sie physisch durch ein starres drittes Objekt getrennt sind, welches effektiv die Kraft der zwei Objek te überträgt, die gegeneinander drücken.

Während diese Erfindung in Verbindung mit den oben darge legten spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß viele Alternati ven, Modifikationen oder Variationen dem Fachmann offen sichtlich sein werden. Entsprechend sollen die Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung, wie sie hier dargelegt wer den veranschaulichend und nicht einschränkend sein. Ver schiedene Veränderungen können vorgenommen werden ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen. Zu sätzlich können andere Aspekte und Vorteile dieser Erfin dung von einem Studium der Offenbarung, der Zeichnungsfi guren und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Elektromagnetisches Ventil in einem Brennstoffver sorgungssystem, welches folgendes aufweist:
einen Ventilkörper, der eine Bohrung darin aufweist, wobei die Bohrung zumindest einen Sitz aufweist;
eine Shuttle- bzw. Mitnahmeanordnung, die einen Kol ben aufweist, der in der Bohrung angeordnet ist, und zwar zwischen mindestens einer offenen Ventilpositi on, in der der Kolben vom Sitz beabstandet ist, und einer geschlossenen Ventilposition, in der der Kol ben durch Kraft mit dem Sitz in Eingriff steht;
eine Ankeranordnung, die mit dem Ventilkörper ver bunden ist, wobei der Anker:
relativ zur Mitnahmeanordnung beweglich ist;
relativ zum Ventilkörper beweglich ist, und zwar entlang eines Gesamtbewegungsbereiches, der in einer ersten Richtung durch eine erste Ankerposition rela tiv zum Ventilkörper eingeschränkt ist, in der die Ankeranordnung durch Kraft mit der Mitnahmeanordnung in Eingriff steht, und in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung eingeschränkt wird durch eine zweite Ankerposition bezüglich des Ventilkörpers, in der die Ankeranordnung durch Kraft mit der Mitnahmeanordnung in Eingriff steht;
die erste Ankerposition nur erreichen kann, wenn der Kolben in der offenen Position ist;
die zweiten Ankerposition nur erreichen kann, wenn der Kolben in der geschlossenen Position ist; und
eine Zwischenposition zwischen der ersten Ankerposi tion und der zweiten Ankerposition erreichen kann, in der die Ankeranordnung nicht durch Kraft mit der Mitnahmeanordnung in Eingriff steht;
wobei weiter ein Ankervorspannglied vorgesehen wird, welches mit der Ankeranordnung verbunden ist, wel ches den Anker in einer ersten Richtung vorspannt;
ein Kupplungsvorspannglied, welches mit der Ankeran ordnung und mit der Mitnahmeanordnung verbunden ist, welches die Ankeranordnung und die Mitnahmeanordnung zueinander vorspannt; und
ein Elektromagnet, der mit dem Ventilkörper verbun den ist und betätigbar ist, um die Ankeranordnung in der zweiten Richtung zu bewegen;
wobei die Ankeranordnung und die Mitnahmeanordnung in dem Ventil so angeordnet sind, daß immer wenn die Ankeranordnung in der zweiten Ankerposition ist, die Ankeranordnung davon abgehalten wird, sich irgendwie weiter in der zweiten Richtung durch den Kraftein griff der Ankeranordnung mit der Mitnahmeanordnung zu bewegen.

2. Ventil nach Anspruch 1, wobei das Ankervorspannglied und das Kupplungsvorspannglied Federn sind.

3. Ventil nach Anspruch 1, welches weiter folgendes aufweist:
ein stromaufwärts gelegenes Strömungsmittelflußvolu men in Strömungsmittelverbindung mit dem Sitz, wobei das stromaufwärtsliegende Strömungsmittelflußvolumen zumindest teilweise durch die Bohrung und den Kolben definiert wird;
einen Einlaßanschluß zur Einleitung von Strömungs mittel in das stromaufwärtsliegende Strömungsmittel flußvolumen; und
Mittel um zu verhindern, daß sich ein statischer Strömungsmitteldruck in dem stromaufwärts gelegenen Strömungsmittelflußvolumen entwickelt, wenn der Kol ben in der offenen Position ist, und das Strömungs mittel vom Einlaßanschluß zum Sitz über das strom aufwärts gelegene Strömungsmittelflußvolumen fließt.

4. Ventil nach Anspruch 1, welches weiter folgendes aufweist:
ein stromaufwärts gelegenes Strömungsmittelflußvolu men in Strömungsmittelverbindung mit dem Sitz, wobei das stromaufwärtsliegende Strömungsmittelflußvolumen zumindest teilweise durch einen Teil des Kolbens und durch einen Teil der Bohrung definiert wird, der be nachbart zum Sitz ist; und
einen Einlaßanschluß zur Einleitung von Strömungs mittel in das stromaufwärtsliegende Strömungsmittel flußvolumen;
wobei das stromaufwärtsliegende Strömungsmittelfluß volumen so konfiguriert ist, daß wenn der Kolben in der offenen Position ist und Strömungsmittel vom Einlaßanschluß zum Sitz über das stromaufwärtslie gende Strömungsmittelflußvolumen fließt, ein effek tiver Strömungsquerschnitt für Strömungsmittel wel ches in das stromaufwärtsliegende Strömungsmittel flußvolumen vom Einlaßanschluß eintritt, effektiv einem effektiven Flußgebiet bzw. Strömungsquer schnitt für Strömungsmittel gleich ist, welches zwi schen dem Kolben und dem Sitz hindurchläuft.

5. Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils bei einem Brennstoffversorgungssystem, wobei das Ventil einen Ventilkörper mit einer Bohrung dar in aufweist, wobei die Bohrung zumindest einen Sitz aufweist, weiter mit einer Mitnahmeanordnung, die einen Kolben aufweist, der verschiebbar in der Boh rung angeordnet ist, mit einer Ankeranordnung,die beweglich mit dem Ventilkörper verbunden ist und re lativ zur Mitnahmeanordnung beweglich ist, und mit einem Elektromagneten, der mit dem Ventilkörper ver bunden ist, wobei das Verfahren folgendes aufweist:
Vorspannung des Ankers in einer ersten Richtung;
Vorspannung der Ankeranordnung und der Mitnahmean ordnung zueinander hin;
Betätigung des Elektromagneten zur Vorspannung der Ankeranordnung in einer zweiten Richtung entgegenge setzt zur ersten Richtung;
Bewegung der Ankeranordnung in der zweiten Richtung;
Schließen des Ventils durch Verschiebung des Kolbens in der Bohrung in der zweiten Richtung, bis der Kol ben durch Kraft mit dem Sitz in Eingriff kommt;
weitere Bewegung der Ankeranordnung in der zweiten Richtung, während der Kolben mit dem Sitz in Ein griff steht und nicht in der Bohrung gleitet, bis die Ankeranordnung durch Kraft mit der Mitnahmean ordnung in Eingriff kommt, wodurch sofort die Bewe gung der Ankeranordnung weiter in die zweite Rich tung gestoppt wird,
Entregung bzw. Abschaltung des Elektromagneten, um zu bewirken, daß die Ankeranordnung in der ersten Richtung läuft, bis sie auf die Mitnahmeanordnung trifft, um den Kolben vom Sitz abzuheben; und
Öffnung des Ventils durch Verschieben des Kolbens in der Bohrung in der ersten Richtung, so daß der Kol ben vom Sitz beabstandet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter die Stei gerung der Vorspannung der Ankeranordnung und der Mitnahmeanordnung zueinander hin vorsieht, während der Kolben mit dem Sitz in Eingriff steht und nicht in der Bohrung gleitet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, welches weiter folgendes aufweist:
Bewegung der Ankeranordnung in der ersten Richtung, während der Kolben in der Bohrung in der ersten Richtung gleitet, bis die Ankeranordnung durch Kraft mit einem Anschlag bzw. Stopp in Eingriff kommt; und Krafteingriff der Mitnahmeanordnung mit der Ankeran ordnung, während die Ankeranordnung mit dem Stopp in Eingriff steht und sich in nicht länger in der er sten Richtung bewegt, um den Kolben davon abzuhalten in der Bohrung zu gleiten.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Betätigung des Elektromagneten die Erzeugung einer Anzugskraft zwi schen dem Elektromagneten und der Ankeranordnung aufweist.