DE19643430A1 - Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil zum Auf- und Absteuern von Strömungswegen, insbesondere zum Schalten von hydraulischen Aktuatoren von einen Hub ausführenden Organen, wie Einspritzdüsen, Auslaßventilen etc., von Dieselmotoren, vorzugsweise Großdieselmotoren, mit einem elektromagnetisch zwischen zwei Schaltstellungen hin- und herbewegbaren Schieber, der in einem mit Anschlüssen für die auf- und absteuerbaren Strömungswege versehenen Schiebergehäuse axial verschiebbar angeordnet und mit den Anschlüssen zugeordneten Steuerkanten versehen ist, wobei der Schieber wenigstens im Bereich eines Endes aus magnetisierbarem Material besteht und wobei das Schiebergehäuse wenigstens einen Elektromagneten mit einem dem magnetisierbaren Endbereich des Schiebers zugeordneten Magnetkern enthält, auf den der bei Aktivierung des Elektromagneten angezogene Schieber aufläuft.

Die DE-OS 22 09 206 zeigt ein Steuerventil dieser Art mit einem an beiden Enden aus magnetisierbarem Material bestehenden Schieber, dem zwei einander gegenüberliegende Elektromagnete zugeordnet sind. Die magnetisierbaren Enden des Schiebers und die Kerne der Elektromagnete besitzen hier zueinander parallele, achsnormale Stirnflächen, die als gegenseitige Anschlagflächen fungieren. Der Hub des Schiebers entspricht dabei dem maximalen, flächennormalen Abstand der genannten Stirnflächen. Dieser Abstand ist maßgebend für den erzielbaren magnetischen Anzug und kann daher über eine bestimmte Grenze hinaus nicht vergrößert werden. In der Praxis beträgt diese Grenze etwa 0,5 mm. Es ergibt sich daher ein vergleichsweise kleiner Hub des Schiebers. Wenn berücksichtigt wird, daß die Steuerkanten des Schiebers und des Schiebergehäuses zur Bewerkstelligung einer zuverlässigen Absperrung eines Strömungswegs einander um ein bestimmtes Maß überfahren sollen, verbleibt vom Hub des Schiebers nur noch der Rest, mit dem dieser Strömungsweg geöffnet werden kann. Dies führt zu einem vergleichsweise Meinen Querschnitt. Der durchsetzbare Fluidstrom ist dementsprechend gering. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein derart geringer Fluidstrom in der Regel nicht ausreicht, die hydraulischen Aktuatoren von hydraulisch betätigbaren Organen von Großmotoren direkt zu schalten. Die Folge davon ist, daß mittels des hier in Frage stehenden Steuerventils ein Pilotventil gesteuert werden muß, mittels dessen erst der zugeordnete Aktuator geschaltet werden kann. Dies ist aufwendig und birgt viele Fehlerquellen. Außerdem wirkt sich dies auch ungünstig auf die Reaktionszeiten aus.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß der Hub des Schiebers vergrößert werden kann, ohne daß sich dies ungünstig auf die Funktionssicherheit auswirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schieber im Bereich jedes einem Elektromagneten zugeordneten Endes eine koaxiale, zum Schieberende hin erweiterte Konusausnehmung und eine den Eingangsquerschnitt der Konusausnehmung umfassende, ringförmige Stirnfläche aufweist, der eine hierzu parallele, einen kleineren Innendurchmesser aufwelsende, ringförmige Anschlagfläche des Magnetkerns zugeordnet ist, und daß der Magnetkern einen von der Anschlagfläche begrenzten, über diese axial vorspringenden, zu seinem Ende hin verjüngten Konuszapfen aufweist, der in die hierzu koaxiale, denselben Konuswinkel aufweisende Konusausnehmung des Schiebers hineinragt.

Der flächennormale Abstand der Konusflächen von Konusausnehmung und Konuszapfen, der für die magnetischen Anzugs- und Haltekräfte maßgebend ist, ist hier kleiner als der axiale Abstand der genannten Konusflächen. Im Falle einer axialen Bewegung des Schiebers ist daher die in axialer Richtung zurückgelegte Strecke größer als die gleichzeitige Veränderung der Spaltweite zwischen den Konusflächen von Konuszapfen und Konusausnehmung. Hierdurch wird daher in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Hub des Schiebers wesentlich größer als die Veränderung der Spaltweite ist. Bei vorgegebener maximaler Spaltweite kann daher ein dem gegenüber größerer Hub des Schiebers erreicht werden. Dies gibt in vorteilhafter Weise die Möglichkeit an die Hand, die Strömungsquerschnitte gegenüber bisher zu vergrößern, ohne die gegenseitige Überlappung von Dichtflächen und/oder den Spaltabstand verändern zu müssen. Infolge der erzielbaren großen Strömungsquerschnitte wird auch ein vergleichsweise großer Fluidstrom erreicht, der auch bei vergleichsweise großen hydraulischen Aktuatoren, wie Einspritzventilen oder Auslaßventilen etc. von Großmotoren, eine direkte Ansteuerung dieser Aktuatoren ermöglicht. Die Verwendung eines zusätzlichen Pilotventils kann daher entfallen. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen gleichzeitig sicher, daß die Konusflächen von Konuszapfen und Konusausnehmung auch im angezogenen Zustand des Schiebers nicht in gegenseitigen Kontakt kommen, so daß auch bei Verwendung eines vergleichsweise kleinen Konuswinkels eine gegenseitige Verkeilung unterbleibt. Dennoch stellen die erfindungsgemäßen Maßnahmen sicher, daß die Schaltstellungen des Schiebers exakt definierte Anschlagstellungen sind. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten damit nicht nur einen vergleichsweise großen Hub des Schiebers und damit die Erzielung eines vergleichsweise großen Fluidstroms, sondern gewährleisten auch eine hohe Zuverlässigkeit. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich damit die Nachteile des gattungsgemäßen Standes der Technik unter Beibehaltung seiner Vorteile vollständig vermeiden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßig Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung entnehmbar.

Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Steuerventil, wobei in der oberen und in der unteren Hälfte verschiedene Schaltstellungen gezeichnet sind.

Das der Zeichnung zugrundeliegende Steuerventil enthält einen als Drehkörper ausgebildeten Schieber 1, der in einem büchsenförmigen Schiebergehäuse 2 axial verschiebbar angeordnet ist. Das Schiebergehäuse 2 ist mit durch radiale Bohrungen gebildeten Anschlüssen 3, 4, 5 für Hydraulikleitungen 3a, 4a, 5a versehen, die mittels des axial verschiebbaren Schiebers 1 wahlweise miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt werden können. Der Schieber 1 ist hierzu mit geeigneten, umfangsseitigen Nuten 6 und diese begrenzenden Dichtflächen 7 versehen. Den Anschlüssen 3, 4 sind gehäuseseitige Nuten zugeordnet.

Je nach Anzahl der so erzielbaren Strömungswege handelt es sich um ein Zwei-, Drei- oder Vier-Wegeventil. Dem dargestellten Beispiel liegt ein Zwei-Wegeventil zugrunde, bei dem der Anschluß 5 wahlweise mit dem Anschluß 3 oder dem Anschluß 4 verbindbar ist. Die dem Anschluß 5 zugeordnete Leitung 5a kann beispielsweise zu einem Verbraucher führen. Die dem Anschluß 3 zugeordnete Leitung 3a kann an eine Druckmittelquelle, beispielsweise eine Hydraulikölpumpe, angeschlossen sein. Die dem Anschluß 4 zugeordnete Leitung 4a kann zu einem drucklosen Hydrauliköltank führen. Durch Verschieben des Schiebers 1 ist es daher möglich, den Verbraucher, bei dem es sich beispielsweise um ein dem Aktuator einer Einspritzdüse oder eines Auslaßventils etc. eines großen Dieselmotors zugeordnetes Schaltventil handeln kann, entweder mit der Druckmittelquelle oder dem Druckmitteltank zu verbinden.

Der Schieber 1 ist zum Auf- und Absteuern der genannten Strömungswege zwischen zwei definierten Schaltstellungen verschiebbar. In der oberen Hälfte der Zeichnung ist der Schieber 1 in seiner linken Schaltstellung, in der unteren Hälfte der Zeichnung in seiner rechten Schaltstellung gezeichnet. Jeder Schaltstellung ist ein im Schiebergehäuse 2 angeordneter Elektromagnet 8 zugeordnet, der eine elektrisch erregbare Spule 9 und einen hiervon umfaßten, magnetisierbaren Metallkern 10 aufweist. Der Schieber 1 besteht zumindest im Bereich seiner Enden aus magnetisierbarem Metall, zweckmäßig geeignetem Stahl. Im dargestellten Beispiel besteht der Schieber 1 insgesamt aus magnetisierbarem Metall. Der Schieber 1 wirkt daher als Anker, der vom Kern 10 des jeweils erregten Elektromagneten 8 angezogen wird. Der dem jeweils erregten Elektromagneten 8 gegenüberliegende Elektromagnet 8 ist dabei passiviert. Nach Durchführung eines Schaltvorgangs sind beide Elektromagneten 8 passiviert. Die vorhandene Schaltstellung wird dabei durch die Remanenz des zuletzt erregten Elektromagneten 8 beibehalten.

Der Schieber 1 ist zur Gewichtserleichterung mit einer axialen Durchgangsbohrung 11 versehen. Diese ist an beiden Enden konisch erweitert, so daß sich zum Schieberende hin erweiterte Konusausnehmungen 12 ergeben. Der Konuswinkel α kann Innerhalb eines weiten Felds von < 40° und < 90° variieren. Im dargestellten Beispiel beträgt der Konuswinkel bevorzugte 45°. Der Durchmesser des Eingangsquerschnitts der Konusausnehmungen 12 ist kleiner als der Schieberdurchmesser. An den Schieberenden ergeben sich somit äußere, ringförmige Stirnflächen 13, deren Breite etwa 1/4 bis 1/7 des Schieberdurchmessers beträgt.

Die Magnetkerne 10 sind mit den Stirnflächen 13 gegenüberliegenden, hierzu parallelen, ringförmigen Anschlagflächen 14 versehen. Diese fungieren als feste Anschläge, an denen der Schieber 1 abwechselnd mit der jeweils benachbarten Stirnfläche 13 anliegt. Radial innerhalb der Anschlagflächen 14 erheben sich über diese in axialer Richtung vorspringende Konuszapfen 15, die in die jeweils benachbarte Konusausnehmung 12 des Schiebers 1 hineinragen. Der Konuswinkel α der Konuszapfen 15 entspricht dem Konuswinkel α der Konusausnehmungen 12. Der dem Grunddurchmesser der Konuszapfen 15 entsprechende Innendurchmesser der Anschlagflächen 14 ist etwas kleiner als der dem Durchmesser des Eingangsquerschnitts der Konusausnehmungen 12 entsprechende Innendurchmesser der schieberseitigen Stirnflächen 13, so daß sich auch in der Anschlagstellung keine Berührung zwischen den Mantelflächen von Konuszapfen 15 und zugeordneter Konusausnehmung 12 ergibt, wie in der Zeichnung durch einen kleinen Luftspalt mit der Spaltweite e angedeutet ist. Die Spaltweite e kann vorzugsweise 0,05 mm betragen. Dieser Luftspalt stellt sicher, daß sich der Schieber 1 in der Anschlagstellung nicht auf dem zugeordneten Konuszapfen 15 verkeilt.

Auf der der Anschlagseite gegenüberliegenden Seite ist zwischen dem Konuszapfen 15 und der zugeordneten Konusausnehmung 13 ein maximaler Luftspalt mit der Spaltweite d vorhanden. Die Spaltweite d entspricht dem flächennormalen Abstand der Konusflächen von Konusausnehmung 12 und Konuszapfen 15. Die Spaltweite d soll etwa 0,5 mm nicht nennenswert überschreiten, um einen zuverlässigen magnetischen Anzug zu gewährleisten. Der flächennormale Abstand der Konusflächen von Konusausnehmung 12 und zugeordnetem Konuszapfen 15 ist kleiner als ihr Abstand in axialer Richtung. Das Verhältnis von flächennormalen Abstand und Abstand in axialer Richtung entspricht dem Sinus des halben Konuswinkels. Es ist daher möglich, einen um den Faktor 1/sinα/2 gegenüber der Differenz zwischen der maximalen Spaltweite d und der minimalen Spaltweite e vergrößerten, axialen Hub des Schiebers 1 zu erreichen. Dieser Hub ist der Zeichnung bei c angedeutet.

Um einen Anschluß zuverlässig zu schließen, muß, wie in der Zeichnung bei Anschluß 4 angedeutet ist, der betreffende Dichtbereich 7 des Schiebers 1 auch einen Randbereich des betreffenden Anschlusses zuverlässig überdecken, d. h. die betreffenden Steuerkanten müssen sich überfahren. Das Maß dieser Überdeckung ist in der Zeichnung mit b bezeichnet und soll etwa 0,2 bis 0,3 mm betragen. Um andererseits beim Öffnen des betreffenden Anschlusses einen möglichst großen Strömungsquerschnitt zu erreichen, durch den ein möglichst großer Fluidstrom durchgesetzt werden kann, muß der betreffende Anschluß, wie in der Zeichnung beispielsweise beim Anschluß 3 angedeutet ist, möglichst vollständig geöffnet werden. Die Weite des dabei erreichten Strömungsquerschnitts ist in der Zeichnung mit a angegeben. Diese lichte Weite a des in einer Schaltstellung geöffneten Strömungsquerschnitts ist um die Überdeckung b kleiner als der Hub c des Schiebers 1. Da infolge des gegenseitigen Konuseingriffes ein gegenüber der maximalen Spaltweite d vergrößerter Hub c erreicht wird, läßt sich trotz vergleichsweise großer Überdeckung b auch eine ausreichend große lichte Weite a des Strömungsquerschnitts und damit ein großer durchsetzbarer Fluidstrom erreichen. Im dargestellten Beispiel betragen der Kegelwinkel α 45° und der maximale Spaltabstand d 0,5 mm. Hierbei läßt sich ein Hub c des Schiebers 1 von etwa 1,2 mm erreichen. Bei einer Überdeckung b von etwa 0,2 mm läßt sich dementsprechend eine Querschnittsweite a des geöffneten Strömungsquerschnitts von 1 mm erreichen. Bevorzugt liegt der Hub c im Bereich zwischen 0,7 mm und 1,2 mm. Je nach Anwendungsfall kann aber auch ein noch weiterer Bereich zwischen größer 0,5 mm und kleiner 2 mm in Frage kommen. Durch geeignete Wahl des Kegelwinkels ergibt sich dennoch ein maximaler Spaltabstand d in einer akzeptablen Größenordnung von etwa 0,5 mm. Der Konuswinkel α kann, wie schon ausgeführt wurde, innerhalb eines Bereichs größer 40° und kleiner 90° liegen. Bevorzugt liegt der Hub c im Bereich zwischen 0,7 mm und 1,2 mm. Die Höhe der Konuszapfen 15 entspricht zweckmäßig etwa dem Doppelten des Hubs c, wodurch sich ein zuverlässiger Eingriff ergibt.

Claims (12)

1. Steuerventil zum Auf- und Absteuern von Strömungswegen, insbesondere zum Schalten von hydraulischen Aktuatoren von einen Hub ausführenden Organen, wie Einspritzdüsen, Auslaßventilen etc., von Dieselmotoren, vorzugsweise Großdieselmotoren, mit einem elektromagnetisch zwischen zwei Schaltstellungen hin- und herbewegbaren Schieber (1), der in einem mit Anschlüssen (3, 4, 5) für die auf- und absteuerbaren Strömungswege versehenen Schiebergehäuse (2) axial verschiebbar angeordnet und mit den Anschlüssen (3, 4, 5) Steuerkanten versehen ist, wobei der Schieber (1) wenigstens im Bereich eines Endes aus magnetischem Material besteht und wobei das Schiebergehäuse (2) wenigstens einen Elektromagneten (8) mit einem dem magnetisierbaren Endbereich des Schiebers (1) zugeordneten Magnetkern (10) enthält, auf den der bei Aktivierung des Elektromagneten (8) angezogene Schieber (1) aufläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (1) im Bereich jedes einem Elektromagneten (8) zugeordneten Endes eine koaxiale, zum Schieberende hin erweiterte Konusausnehmung (12) und eine den Eingangsquerschnitt der Konusausnehmung (12) umfassende, ringförmige Stirnfläche (13) aufweist, der eine hierzu parallele, einen kleineren Innendurchmesser aufweisende, ringförmige Anschlagfläche (14) des Magnetkerns (10) zugeordnet ist, und daß der Magnetkern (10) einen von der Anschlagfläche (14) begrenzten, über diese axial vorspringenden, zu seinem Ende hin verjüngten Konuszapfen (15) aufweist, der in die hierzu koaxiale Konusausnehmung (12) des Schiebers (1) hineinragt.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (1) im Bereich beider Enden jeweils eine Konusausnehmung (12) aufweist und daß zwei einander gegenüberliegende Elektromagnete (8) vorgesehen sind, deren Magnetkerne (10) einander zugewandte Konuszapfen (15) aufweisen.

3. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (1) ganz aus magnetisierbarem Material, vorzugsweise Stahl, besteht.

4. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (1) eine axiale Durchgangsbohrung (11) aufweist, deren Enden konisch erweitert sind.

5. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel α jeder Konusausnehmung (12) und jedes Konuszapfens (15) größer als 40° und kleiner als 90° ist.

6. Steuerventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel α 45° beträgt.

7. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Konuszapfens (15) etwa dem Doppelten des Hubs des Schiebers (1) zwischen den beiden Schaltstellungen entspricht.

8. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Schiebers (1) zwischen den beiden Endstellungen im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,7 mm und 1,2 mm, liegt.

9. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Spalts zwischen den konischen Mantelflächen eines Konuszapfens (15) und der zugeordneten Konusausnehmung (12) bei angezogenem Schieber (1) 0,05 mm beträgt.

10. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen den Konusflächen einer Konusausnehmung (12) und des jeweils zugeordneten Konuszapfens (15) bei angezogenem Schieber (1) eine lichte Weite von 0,05 mm und bei abgehobenem Schieber (1) eine lichte Weite von 0,5 mm aufweist.

11. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Schiebers (1) bei einem Konuswinkel von 45° und einem maximalen Spaltabstand der Konusflächen von 0,5 mm 1,2 mm beträgt.

12. Steuerventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Hub von 1,2 mm eine Abdichtüberdeckung von 0,2 mm und eine lichte Strömungsquerschnittweite von 1 mm vorgesehen sind.