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Die Erfindung betrifft ein Wegesitzventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im deutschen Gebrauchsmuster G 91 09 976 (
DE 91 09 976 U1 ) ist ein 4/2-Wegesitzventil offenbart, das durch zwei 2/2-Wegesitzventile gebildet ist, die jeweils über einen Magneten betätigbar sind. Jedes 2/2-Wegesitzventil hat einen Ventilkegel, der mittels einer Feder gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist. Über den Ventilkegel lässt sich die Verbindung zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss aufsteuern. Das bekannte Sitzventil ist mit Bezug zu einem der Anschlüsse druckausgeglichen ausgeführt. Dazu ist an einem den Ventilkegel tragenden Kolben ein Ausgleichskolben ausgebildet, dessen rückseitige, von dem Ventilsitz entfernte Stirnfläche über einen Ausgleichskanal mit dem Druck an einem der Anschlüsse beaufschlagt ist, so dass der Kolben mit Bezug zu diesem Anschluss druckausgeglichen ist. Bei der bekannten Lösung ist der Ausgleichskolben einstückig mit dem den Ventilkegel tragenden Kolben ausgeführt. Um diesen Kolben in eine Ventilbohrung einführen zu können, muss der Durchmesser des Ausgleichskolbens etwas kleiner als der Ventilsitzdurchmesser gewählt werden. Des Weiteren ist ein Spiel erforderlich, um die Beweglichkeit des Ausgleichskolbens in der Ventilbohrung zu gewährleisten. Durch die Flächendifferenz zwischen dem Durchmesser des Ausgleichskolbens und dem Ventilsitzdurchmesser wird der Kolben je nachdem, an welchem der Anschlüsse der hohe Druck anliegt, in Schließ- oder in Öffnungsrichtung beaufschlagt, so dass entsprechend die den Ventilkegel in Schließrichtung beaufschlagende Feder vergleichsweise stark ausgelegt werden muss und durch den Magneten, über den das Wegesitzventil in eine Öffnungsstellung gebracht wird, eine erhöhte Betätigungskraft aufgebracht werden muss.
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Um die Dichtigkeit zu verbessern wird der Ventilsitz vorgeprägt. Eine derartige Vorprägung ist beispielsweise in der
DE 195 09 145 A1 beschrieben. Beim Vorprägen wird der Ventilsitzdurchmesser entsprechend der Prägebreite verringert, so dass dann entsprechend der Ventilsitz einen geringeren Durchmesser aufweist – entsprechend muss der ursprüngliche Ventilsitzdurchmesser (vor dem Prägen) etwas größer gewählt sein.
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Prägt man nun den Ventilsitz bei der aus der
DE 91 09 976 U1 bekannten Lösung vor, so muss der Außendurchmesser des Ausgleichkolbens entsprechend geringer als der vorgeprägte Ventilsitzdurchmesser gewählt werden. Liegt nun ein höherer Druck an demjenigen Anschluss an, der über die Ausgleichsbohrung mit dem von der Stirnfläche des Ausgleichkolbens begrenzten Druckraum verbunden ist, so wirkt aufgrund dieser Flächendifferenz eine in Schließrichtung wirksame Kraft auf den Kolben, während bei Druckbeaufschlagung des anderen Anschlusses der Kolben aufgrund der Flächendifferenz in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist. Entsprechend muss die den Schließkegel in Schließrichtung vorspannende Feder stärker ausgelegt sein, um diese Flächendifferenz auszugleichen. Der Elektromagnet muss so ausgelegt sein, dass er gegen die Druckkräfte und die vergleichsweise hohe Federkraft den Kolben in die Öffnungsrichtung verschieben kann.
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Es ist daher erforderlich, einen entsprechend großen Magneten vorzusehen oder aber eine Einschränkung der hydraulischen Leistungen in Kauf zu nehmen.
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Die Druckschrift
DE 92 02 519 U1 offenbart ein gattungsgemäßes Wegeventil, bei dem ein Kolben gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist. In Schließrichtung gesehen stromabwärts vor diesem Ventilsitz ist ein Ausgleichskolben vorgesehen, der stirnseitig mit dem Druck an einem Ausgleichsanschluss beaufschlagt ist.
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Ähnliche Wegeventile sind in den Druckschriften
US 5 564 394 A und
US 4 852 853 A gezeigt. Bei den in diesen Druckschriften offenbarten Wegeventilen sind die Durchmesser des Kolbens, des Ventilsitzes und des Ausgleichskolbens entweder gleich groß oder aber der Durchmesser des Ausgleichskolbens ist deutlich größer als der Ventilsitzdurchmesser.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wegesitzventil zu schaffen, bei dem die Betätigungskraft verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wegesitzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist das Wegesitzventil mit einem gegen einen Ventilsitz vorgespannten Kolben ausgeführt, über den ein Eingangsanschluss mit einem Ausgangsanschluss verbindbar ist. Dem Kolben ist ein Ausgleichskolben zugeordnet, dessen Stirnfläche in Schließrichtung gesehen vor dem Ventilsitz – und nicht, wie beim eingangs beschriebenen Stand der Technik gemäß der Druckschrift
DE 91 09 976 U1 nach dem Ventilsitz – angeordnet ist. D. h., die Stirnfläche des Ausgleichskolbens und der auf dem Ventilsitz aufsitzende Bereich des Kolbens sind auf der gleichen Seite mit Bezug zum Ventilsitz angeordnet. Der Kolben wird somit bei der erfindungsgemäßen Lösung über die Stirnfläche in Schließrichtung beaufschlagt, wobei die Anordnung des Ausgleichskolbens diesseits des Ventilsitzes es ermöglicht, dessen Außendurchmesser so auf den Ventilsitz abzustimmen, dass die eingangs beschriebene Flächendifferenz gegen Null geht oder gleich Null ist. Bei der eingangs beschriebenen Lösung war dies nicht möglich, da der Ausgleichkolben bei der Montage stets durch den Ventilsitz hindurch eingesetzt wurde und somit einen geringeren Durchmesser als der Ventilsitz aufweisen musste. Der Ventilsitz ist dabei vorgeprägt, wobei die durch die Prägung entstehende Verringerung des Ventilsitzdurchmessers durch geeignete Durchmesserauslegung des Ausgleichkolbens auf einfache Weise ausgeglichen wird. Erfindungsgemäß ist der Durchmesser der Stirnfläche des Ausgleichkolbens kleiner als der Ventilsitzdurchmesser und als der Durchmesser des Kolbens im Bereich des Ventilsitzes ausgelegt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Ausgleichkolben und der den Ventilkegel tragende Kolben einstückig ausgeführt. Dabei ist der Kolben von einem Ausgleichskanal durchsetzt, der in der Stirnfläche des Ausgleichkolbens mündet und über den der Druck an einem der Anschlüsse in den von der Stirnfläche begrenzten Druckraum geführt ist.
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Dieser Druckraum ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Federraum für die den Kolben in Schließrichtung vorspannende Feder.
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Bei einem besonders einfach ausgeführten Ausführungsbeispiel hat der Kolben einen Betätigungsvorsprung, an dem ein Stößel eines Elektromagneten mittelbar oder unmittelbar angreift.
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Das Wegesitzventil ist vorzugsweise als 2/2-Wegesitzventil ausgeführt, wobei beide Anschlüsse in Radialrichtung in eine den Kolben aufnehmende Ventilbohrung einmünden können.
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Im Bereich zwischen der Stirnfläche und dem Ventilsitz greift bei einem Ausführungsbeispiel am Außenumfang des Ausgleichkolbens eine Dichtung an.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einzigen Figur erläutert, die einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes 2/2-Wegesitzventil zeigt.
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Das Ventil ist in Patronenbauweise ausgeführt und wird in eine Ventilscheibe oder einen Ventilblock eingesetzt, so dass beispielsweise durch Kombination von beispielsweise vier derartiger 2/2-Wegesitzventilen ein 4/3-Wegesitzventil ausgeführt werden kann. Das 2/2-Wegesitzventil 1 – im folgenden Sitzventil genannt – hat eine in einer Aufnahmebohrung 2 einer Ventilscheibe 4 eingesetztes patronenförmiges Gehäuse 6, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Buchse 8 sowie einem Gehäuseteil 10 zusammengesetzt ist. Im Gehäuse 6 ist eine Ventilbohrung 12 ausgebildet, in der ein Kolben 14 axialverschiebbar geführt ist. Dieser hat einen Ventilkegel 16, der mittels einer Feder 18 gegen einen Ventilsitz 20 vorgespannt ist.
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Im Bereich des Gehäuseteils 10 ist ein radialer Eingangs- oder Druckanschluss P und an der Buchse 8 ein Ausgangsanschluss A ausgebildet, die mit entsprechenden Kanälen der Ventilscheibe 4 hydraulisch verbunden sind.
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Der Eingangsanschluss P ist über einen nicht näher dargestellten Bohrungsstern mit einem Eingangsdruckraum 56 verbunden, der bei abgehobenem Ventilkegel 16 mit dem Ringraum 32 verbunden ist.
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Im Bereich des Anschlusses A ist der Mantel der Buchse 8 von einem Bohrungsstern 54 durchbrochen, über den der Anschluss A mit dem Ringraum 32 verbunden ist.
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Der in der Figur linker Endabschnitt des Kolbens 14 bildet einen Ausgleichskolben 22, dessen abgestufte Stirnfläche 24 einen Federraum 25 für die Feder 18 begrenzt, die an einer Stirnseite der Aufnahmebohrung 2 abgestützt ist und mit ihrem rechten Endabschnitt an einer Innenschulter 26 des Kolbens 14 angreift. Diese Innenschulter 26 wird durch den radial erweiternden Teil eines Ausgleichskanals 28 gebildet, der einerseits in der Stirnfläche 24 mündet, wobei ein radial erweiterter Teil den Endabschnitt der Feder 18 aufnimmt und der andererseits über einen Radialkanal 30 in einem Ringraum 32 mündet, der durch einen radial zurückgesetzten, sich in der Darstellung rechts an den Ventilkegel 16 anschließenden Mittelabschnitt 34 des Kolbens begrenzt ist.
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Die Führung des Ausgleichskolbens 22 erfolgt über einen Führungsabschnitt 49 der Aufnahmebohrung.
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Der in der Figur rechte Endabschnitt des Kolbens 14 ist im Anschluss an den Mittelabschnitt 34 zu einem Bund 36 radial erweitert. An der Stirnfläche des Bundes 36 ist ein axial abstehender Betätigungsvorsprung 40 ausgebildet, der einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Bund 36 hat und der stirnseitig durch eine Führungsbohrung 38 hindurch aus der Buchse 8 heraustritt. In der Führungsbohrung 38 ist der Kolben 14 also mit einem kleinen Durchmesser geführt. Die Abdichtung nach außen hin erfolgt über eine den Betätigungsvorsprung 40 umgebende O-Ring-Dichtung 42, die in die Ventilbohrung 12 eingesetzt ist. Der Bund 36 stellt sicher, dass der O-Ring 42 nicht in einen Spalt zwischen dem Kolben 14 und der Buchse 8 einwandern kann.
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Die axiale Sicherung des abgestuften Gehäuses 6 in der Aufnahmebohrung 2 folgt mittels einer Schraube 44, die in ein Innengewinde der Aufnahmebohrung 4 eingeschraubt ist und stirnseitig an der Buchse 8 anliegt. Die Schraube 44 ist mittig ausgenommen, so dass der Betätigungsvorsprung 40 über eine Kugel 46 von einem nicht dargestellten Elektromagneten mit einer Betätigungskraft F beaufschlagbar ist. Prinzipiell kann ein Stößel dieses Magneten auch direkt auf den Kolben 14 wirken.
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Im Bereich zwischen der abgestuften Stirnfläche des Gehäuseteils 10 und einer entsprechenden Abstufung der Aufnahmebohrung 4 ist eine bewegte Dichtung 48 vorgesehen, die am Außenumfang des Ausgleichkolbens 22 anliegt.
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Der Ventilsitz 20 ist gemäß der Detaildarstellung X mit einer Prägung 50 versehen, auf deren Prägefläche der Ventilkegel 16 (nicht dargestellt im Detail X) aufsitzt und durch die die Dichtigkeit des Ventilsitzes wesentlich verbessert wird.
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Der durch die Prägung ausgebildete Ventilsitzdurchmesser D ist etwas größer als der Außendurchmesser d des Ausgleichskolbens 22 ausgebildet. Die Stirnseite 52 des Betätigungsvorsprungs 40 ist vergleichsweise sehr klein ausgebildet und mit dem Druck beaufschlagt, der im Bereich des Stößels (nicht dargestellt) des Elektromagneten vorliegt. Dieser Druck entspricht in der Regel dem Tankdruck, der bis zu 100 bar betragen kann. An den beiden Anschlüssen P, A können beispielsweise Drücke bis zu 450 bar anliegen. Nimmt man nun an, dass am Anschluss A ein vergleichsweise hoher Druck (420 bar) anliegt, so wirkt dieser Druck über den Ausgleichskanal 28 auch im Federraum 25, d. h., die Stirnfläche 24 mit dem Außendurchmesser d ist in Schließrichtung mit diesem Druck und ein durch den Ventilsitz Durchmesser D bestimmter Stirnflächenbereich des Kolbens 14 in Öffnungsrichtung mit diesem Druck beaufschlagt. Der Außendurchmesser d des Ausgleichkolbens 22 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiels so gewählt, dass der Kolben 14 mit Bezug zum Anschluss A im Wesentlichen druckausgeglichen ist oder zumindest eine vergleichsweise geringe, in Schließrichtung wirksame Kraft auf den Kolben 14 wirkt. Entsprechend kann bei der erfindungsgemäßen Lösung eine vergleichsweise schwache Feder 18 verwendet werden – beim eingangs beschriebenen Stand der Technik mußte diese Feder relativ stark ausgelegt sein, um die in Öffnungsrichtung wirksamen Druckkräfte auszugleichen und das Ventil dicht zu halten. Die Feder 18 muss bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich gegen die Druckkraft wirken, die auf die Stirnseite 52 des Betätigungsvorsprungs 40 wirkt.
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In dem Fall, in dem am Eingangsanschluss P der hohe Druck (420 bar) anliegt und der Druck am Anschluss A vernachlässigbar ist, wird der Kolben 14 durch die Flächendifferenz zwischen den in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung beaufschlagten Stirnflächenabschnitten mit einer in Schließrichtung wirksamen resultierenden Kraft beaufschlagt, die jedoch aufgrund geeigneter Auslegung des Außendurchmessers d des Ausgleichskolbens 22 gering ist. Zur Betätigung des Sitzventils 1 muss dann eine vergleichsweise geringe Betätigungskraft F aufgebracht werden, durch die die geringe Kraft der Feder 18 und die in Schließrichtung wirksame Druckkraft überwunden werden muss. In diesem Fall wirkt auch die auf die Stirnseite 52 des Betätigungsvorsprungs 40 wirksame Druckkraft in Öffnungsrichtung und unterstützt die vom Elektromagneten aufzubringende Kraft.
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Es zeigte sich, dass die nötige Magnetkraft zum Öffnen des Ventils sowohl aus dem geschlossenen Zustand heraus (polfern) als auch im geschalteten Zustand (polnah) wesentlich geringer als bei den herkömmlichen Lösungen ist. So konnte bei einem beispielhaft ausgeführten Ventil die Betätigungskraft gegenüber der herkömmlichen Lösung um 33% verringert werden. Entsprechend kann die hydraulische Leistung des erfindungsgemäßen Ventils erhöht oder die Magnetkraft entsprechend erniedrigt werden. Die Montage des erfindungsgemäßen Ventils ist besonders einfach, da der radial zurückgesetzte Mittelabschnitt 34 und der Führungsbund 36 des Kolbens 14 sehr einfach durch den Ventilsitz 20 hindurch in die Ventilbohrung 12 eingesetzt werden können.
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Offenbart ist ein Wegesitzventil mit einem Kolben, der mittels einer Feder gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist. Dem Kolben ist ein Ausgleichskolben zugeordnet, dessen Stirnfläche, die mit dem Druck an einem der Anschlüsse des Wegeventils beaufschlagt ist, in Schließrichtung gesehen vor dem Ventilsitz angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 2/2-Wegesitzventil
- 2
- Aufnahmebohrung
- 4
- Ventilscheibe
- 6
- Gehäuse
- 8
- Buchse
- 10
- Gehäuseteil
- 12
- Ventilbohrung
- 14
- Kolben
- 16
- Kegel
- 18
- Feder
- 20
- Ventilsitz
- 22
- Ausgleichskolben
- 24
- Stirnfläche
- 25
- Federraum
- 26
- Innenschulter
- 28
- Ausgleichskanal
- 30
- Radialkanal
- 32
- Ringraum
- 34
- Mittelabschnitt des Kolbens
- 36
- Bund
- 38
- Führungsbohrung
- 40
- Betätigungsvorsprung
- 42
- O-Ring-Dichtung
- 44
- Schraube
- 46
- Kugel
- 48
- Dichtung
- 49
- Führungsabschnitt
- 50
- Prägung
- 52
- Stirnseite
- 54
- Bohrungsstern
- 56
- Eingangsdruckraum
