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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffeinspritzeinrichtungen und Düsen und insbesondere Absperrventile, welche in Brennstoffeinspritzeinrichtungen und Düsen für Gasturbinenmotoren verwendet werden.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Eine Vielzahl von Einrichtungen und Verfahren sind in der Technik bekannt, um eine Brennstoffströmung in Brennstoffeinspritzeinrichtungen und Düsen während einer Motorinbetriebnahme und schwachen Strömungszuständen zu regulieren. Von solchen Einrichtungen betreffen viele Absperrventile, um eine Brennstoffströmung durch Einspritzeinrichtungen und Düsen vor einer Inbetriebnahme zu verhindern oder zu reduzieren.
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Während des Startzyklus eines Gasturbinenmotors wird Brennstoff mit einer bestimmten Massenströmungsrate einem Verteiler durch die Brennstoffpumpe zugeführt, welche den Druck erzeugt, welcher benötigt wird, um die erforderliche Massenströmungsrate zu fördern bzw. zuzuführen. Der Verteiler führt den Brennstoff einer Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu. Viele Brennstoffeinspritzeinrichtungen enthalten ein Absperrventil, welches dabei hilft, sicherzustellen, dass Brennstoff nicht in die Brennkammer eingeleitet wird, bis ein bestimmter Verteilerdruck erreicht ist. Aufgrund von Herstellungstoleranzen und Federkraftvariationen kann der Punkt, an welchem die Absperrventile öffnen oder „auslösen“ (crack), signifikant variieren.
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Wenn die Brennstoffeinspritzeinrichtung für ein Niederdrucksystem mit hoher Strömung ausgelegt ist, kann der Effekt von Änderungen im Auslösedruck eine ernste Fehlverteilung der Brennstoffströmung von einer Einspritzeinrichtung zur nächsten bewirken. Der Verteilerdruck kann gerade hoch genug sein, um ein Paar der Absperrventile zu öffnen, was es dem Brennstoff ermöglicht, aufgrund der Einspritzeinrichtungsdurchgangsabmessungen praktisch unbehindert aus den offenen Einspritzeinrichtungen auszuströmen, während andere Einspritzeinrichtungsabsperrventile geschlossen bleiben und daher nicht fließen. Insbesondere während der Zündsequenz, wenn die Verteilerdrücke niedrig sind, können einige Einspritzeinrichtungen in einem strömungslosen Zustand sein, während andere Einspritzeinrichtungen mit relativ hohen Raten strömen. Diese ungleichmäßige Verteilung des Brennstoffs kann Schwierigkeiten bereiten, eine Zündung und Ringsumzündung zu erreichen. Selbst bei typischen Bodenleerlaufbrennstoffströmungsraten ist es möglich, dass einige der Einspritzeinrichtungen in dem strömungslosen Zustand sind. Das kann zu schlechten Emissionen bei niedriger Leistung führen infolge einer ungleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs im Inneren der Brennkammer. Darüber hinaus kann die Tatsache, dass einige Einspritzeinrichtungen nicht strömen, eine Brennkammerbeanspruchung aufgrund von Temperaturgradienten, d.h. heißen Stellen und kalten Stellen um die Brennkammer herum, bewirken.
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Ein typisches Absperrventil umfasst einen Kolben, welcher zur Abdichtung gegenüber einem Sitz durch irgendwelche mechanischen Mittel, wie z.B. eine Feder, vorgespannt ist. Der Auslösedruck wird durch die Kolbenfläche und die Federvorspannkraft bestimmt. Wenn der Brennstoffdruck einmal hoch genug ist, um die Federvorspannkraft zu überwinden, hebt sich der Kolben von seinem Sitz ab, um eine Strömung zu erlauben. Wenn der Druck unter die Federvorspannkraft abfällt, wird sich das Ventil schließen und wieder abdichten. Aufgrund von Abweichungen/Unterschieden in der Federvorspannung und der Kolbenfläche von Absperrventil zu Absperrventil können Einspritzeinrichtungen, welche solche Absperrventile verwenden, im Inneren einer einzigen Brennkammer breit gefächerte Auslösedrücke haben, was zu den oben beschriebenen Problemen führt.
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Eine Lösung für dieses Problem ist es, anstelle von Absperrventilen Steuerventile (scheduling valves) zu verwenden. Ein typisches Steuerventil verwendet ein Paarungsschleifen zwischen einer Welle und einer Bohrung eines Zylinders. Die Präzision ist hoch genug, um eine Öffnungsanordnung (porting) mit hoher Präzision bereitzustellen, welche die Brennstoffströmung proportional zu dem Verteilerbrennstoffdruck steuern/regeln wird. Während sich der Druck aufbaut, nimmt die Öffnungsfläche des Steuerventils zu. Oft ist ein Absperrventil integral mit dem Steuerventil vorgesehen. Der Gegendruck von dem Steuerventil hilft sicherzustellen, dass es überall in dem Verteiler eine gleichmäßige Strömung gibt.
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Steuerventile sind dabei wirksam, die oben beschriebenen Unzulänglichkeiten von traditionellen Absperrventilen zu überwinden. Steuerventile sind jedoch relativ teuer herzustellen infolge der benötigten hohen Toleranzen. Steuerventile sind auch für eine Hysterese anfällig. Die Hysterese tritt auf infolge von Stapeltoleranzen und Materialeigenschaftsunterschieden. Es gibt auch einen Unterschied bei der vermeintlichen Kolbenfläche, was bewirkt, dass die Drucklast abhängig davon verschieden ist, wo der Kolben in Bezug auf seinen Hub ist. Die Präzisionsöffnungsanordnung ist auch für eine Fehlfunktion infolge von Partikeln und Verunreinigungen in dem Brennstoff anfällig, was die Strömung drastisch beeinflussen kann.
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Die US-Offenlegungsschrift
US 5 918 628 A von Harding beschreibt ein Mehrstufenabsperrventil, bei dem sich ein Ventilkegel im Inneren eines Ventilgehäuses bewegt, während der Brennstoffdruck auf den Ventilkegel zunimmt. Radiale Durchgangslöcher von zwei verschiedenen Durchmessern sind axial längs des Ventilkegels gestuft. Gleich nachdem der Ventilkegel von dem Ventilgehäuse abhebt, strömt Brennstoff zuerst nur durch ein kleines Durchgangsloch, was eine geringe Strömungsrate bereitstellt. Während der Brennstoffdruck zunimmt und sich das Kegelventil weiter in das Ventilgehäuse bewegt, werden dann größere Durchgangslöcher in dem Ventilkegel geöffnet, um eine größere Brennstoffströmung durch das Absperrventil zu erlauben. Diese Konfiguration stellt eine Brennstoffstufung mit einem relativ geringen Druckabfall bereit. Das in dem Harding-Patent beschriebene Ventil verlangt jedoch, dass der Kolben eng in den Hülsenabschnitt passt, um eine Ablaufkoordinations- bzw. Steuer-„Steifigkeit“ oder relative Trennung von dem primären und dem sekundären Zustand sicherzustellen. Somit kann um den Kolben herum keine große Toleranz sein. Eine Haupteinschränkung bei dem Harding-Ventil besteht darin, dass sich die Kopplung der Öffnung auf eine einzige Feder verlässt. Dies kann dazu führen, dass das Design unerwünschte Effekte auf die äußerliche Hülle hat, welche erforderlich ist, um das Design aufzunehmen, d.h. die Stufungserfordernisse in dem Harding-Design vergrößert das Absperrventil, da es sowohl für die Hochdrucköffnungen bzw. -anschlüsse als auch die Niederdrucköffnungen bzw. -anschlüsse nur eine Feder gibt. Das Harding-Ventil dichtet auch nicht notwendigerweise die zweite Stufe gegenüber der primären Stufe ab.
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Aus den Druckschriften
US 5 732 730 A ,
US 2004 / 0 055 582 A1 ,
DE 602 13 349 T2 und
US 2004 / 0 154 302 A1 ist jeweils eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für einen Gasturbinenmotor bekannt, welche umfasst: einen Brennstoffzuleitungsarm, welcher ein Brennstoffeinlassanschlussteil hat, das in Fluidverbindung mit wenigstens einer Brennstoffleitung im Inneren des Brennstoffzuleitungsarms steht; einen Düsenkörper, welcher von dem Brennstoffzuleitungsarm herabhängt und einen Brennstoffauslass umfasst, welcher mit der wenigstens einen Brennstoffleitung von dem Brennstoffzuleitungsarm in Fluidverbindung steht; und ein Mehrstufenabsperrventil im Inneren des Brennstoffzuleitungsarms, welches mit der wenigstens einen Brennstoffleitung betriebsmäßig verbunden ist.
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Das aus den vier vorgenannten Druckschriften bekannte Mehrstufenabsperrventil umfasst: ein Ventilgehäuse, welches eine innere Ventilkammer definiert, wobei das Ventilgehäuse einen Einlass zur Aufnahme von Brennstoff mit einem Einlassbrennstoffdruck umfasst; ein Hauptventilelement im Inneren der Ventilkammer von dem Ventilgehäuse, wobei das Hauptventilelement eine innere Ventilkammer hat und betriebsmäßig mit dem Ventilgehäuse durch ein erstes Federelement verbunden ist, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, das Hauptventilelement vorzuspannen, um einen Hauptbrennstoffweg in einer ersten Position des Hauptventilelements mit einem Einlassbrennstoffdruck unter einem vorbestimmten Hauptdruck zu blockieren und zu ermöglichen, dass das Hauptventilelement verlagert wird, um eine Brennstoffströmung durch den Hauptbrennstoffweg in einer zweiten Position des Hauptventilelements zu ermöglichen, wenn der Einlassbrennstoffdruck über dem vorbestimmten Hauptdruck liegt; ein Öffnungselement, welches eine Dosieröffnung hindurch definiert, welche betriebsmäßig dem Hauptventilelement zugeordnet ist, um eine Brennstoffströmung durch einen Pilotbrennstoffweg zu dosieren, wenn der Einlassbrennstoffdruck zwischen dem vorbestimmten Hauptdruck und einem vorbestimmten Pilotdruck liegt; und ein Pilotventilelement im Inneren der Ventilkammer des Hauptventilelements, wobei das Pilotventilelement betriebsmäßig mit einem zweiten Federelement verbunden ist, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, das Pilotventilelement vorzuspannen, um den Pilotbrennstoffweg in einer ersten Position des Pilotventilelements zu blockieren, wenn der Einlassbrennstoffdruck unter dem vorbestimmten Pilotdruck liegt, und welches die Verlagerung des Pilotventilelements erlaubt, um eine Brennstoffströmung durch den Pilotbrennstoffweg in einer zweiten Position des Pilotventilelements zu erlauben, wenn der Einlassbrennstoffdruck über dem vorbestimmten Pilotdruck liegt.
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Solche herkömmlichen Verfahren und Systeme wurden im Allgemeinen als für ihren Verwendungszweck ausreichend angesehen. Es bleibt jedoch trotzdem ein fortgesetztes Bedürfnis in der Technik nach einer verbesserten Ventileinrichtung sowie Brennstoffeinspritzeinrichtung. Es bleibt auch ein Bedürfnis in der Technik nach einer solchen Ventileinrichtung bestehen, welche leicht herzustellen und zu verwenden ist. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für diese Probleme.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Mehrstufenabsperrventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Mehrstufenabsperrventil mit den Merkmalen von Anspruch 15 und durch eine Brennstoffeinspritzeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 8.
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Das erfindungsgemäße Mehrstufenabsperrventil umfasst ein Ventilgehäuse, welches eine innere Ventilkammer definiert. Ein Hauptventilelement (main valve member) im Inneren der Ventilkammer des Ventilgehäuses hat eine innere Ventilkammer und ist für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert. In seiner ersten Position blockiert das Hauptventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem vorbestimmten Hauptdruck durch einen Hauptbrennstoffweg. In seiner zweiten Position ist das Hauptventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem vorbestimmten Hauptdruck durch den Hauptbrennstoffweg zu ermöglichen. Das Mehrstufenabsperrventil umfasst auch ein Pilotventilelement (pilot valve member) im Inneren der Ventilkammer von dem Hauptventilelement. Das Pilotventilelement ist für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert. In seiner ersten Position blockiert das Pilotventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem vorbestimmten Pilotdruck durch einen Pilotbrennstoffweg. In seiner zweiten Position ist das Pilotventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem vorbestimmten Pilotdruck durch den Pilotbrennstoffweg zu ermöglichen. Weiterhin umfasst der Pilotbrennstoffweg erfindungsgemäß eine Dosieröffnung, und in der ersten Position des Pilotventilelements blockiert das Pilotventilelement den Pilotbrennstoffweg an einer Position, welche von der Dosieröffnung beabstandet ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist der vorbestimmte Pilotdruck niedriger als der vorbestimmte Hauptdruck. Das Mehrstufenabsperrventil kann ferner ein Öffnungselement umfassen, welches die Dosieröffnung hindurch definiert, welche dem Hauptventilelement betriebsmäßig zugeordnet ist, um eine Brennstoffströmung durch den Pilotbrennstoffweg für Brennstoff zwischen dem vorbestimmten Pilotbrennstoffdruck und dem vorbestimmten Hauptbrennstoffdruck zu dosieren. Es ist vorgesehen, dass das Hauptventilelement betriebsmäßig mit dem Ventilgehäuse durch ein erstes Federelement verbunden sein kann, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, das Hauptventilelement vorzuspannen, um den Hauptbrennstoffweg in der ersten Position des Hauptventilelements zu blockieren. Darüber hinaus kann das Pilotventilelement betriebsmäßig mit einem zweiten Federelement verbunden sein, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, das Pilotventilelement vorzuspannen, um den Pilotbrennstoffweg in der ersten Position des Pilotventilelements zu blockieren.
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In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Hauptventilelement ein Dichtungsbauteil, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, eine Dichtung mit dem Ventilgehäuse auszubilden, um den Hauptbrennstoffweg in der ersten Position des Hauptventilelements zu blockieren. Das Pilotventilelement kann auch ein Dichtungsbauteil umfassen, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, eine Dichtung mit dem Hauptventilelement auszubilden, um den Pilotbrennstoffweg in der ersten Position des Pilotventilelements zu blockieren. Darüber hinaus ist es auch vorgesehen, dass das Ventilgehäuse ein Dichtungsbauteil umfassen kann, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, eine Dichtung sowohl mit dem Hauptventilelement als auch dem Pilotventilelement auszubilden, um den Hauptbrennstoffweg und den Pilotbrennstoffweg mit den Haupt- und Pilotventilelementen in den jeweiligen ersten Positionen zu blockieren. Das Dichtungsbauteil kann Viton® oder irgend ein anderes geeignetes Material umfassen. Es ist auch möglich, ein Mehrstufenabsperrventil unter Verwendung von harten Dichtungen alleine oder in Kombination mit Elastomerdichtungen für die verschiedenen jeweiligen Stufen herzustellen.
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Es ist ferner vorgesehen, dass das Mehrstufenabsperrventil ein drittes Ventilelement zwischen dem Ventilgehäuse und dem Hauptventilelement umfassen kann. Das dritte Ventilelement kann für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert sein. In seiner ersten Position blockiert das dritte Ventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem dritten vorbestimmten Druck durch einen dritten Brennstoffweg, und in seiner zweiten Position ist das dritte Ventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem dritten vorbestimmten Druck durch den dritten Brennstoffweg zu erlauben.
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Die Erfindung umfasst auch eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für einen Gasturbinenmotor. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung umfasst einen Brennstoffzuleitungsarm mit einem Brennstoffeinlassanschlussteil in Fluidverbindung mit wenigstens einer Brennstoffleitung im Inneren des Brennstoffzuleitungsarms. Der Düsenkörper hängt von dem Brennstoffzuleitungsarm herab und umfasst einen Brennstoffauslass in Fluidverbindung mit der wenigstens einen Brennstoffleitung von dem Brennstoffzuleitungsarm. Ein Mehrstufenabsperrventil im Inneren des Brennstoffzuleitungsarms ist betriebsmäßig mit der wenigstens einen Brennstoffleitung verbunden. Das Mehrstufenabsperrventil umfasst ein Ventilgehäuse, welches eine innere Ventilkammer definiert. Ein Hauptventilelement im Inneren der Ventilkammer von dem Ventilgehäuse hat eine innere Ventilkammer und ist für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert. In seiner ersten Position blockiert das Hauptventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem vorbestimmten Hauptdruck durch einen Hauptbrennstoffweg und in seiner zweiten Position ist das Hauptventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem vorbestimmten Hauptdruck durch den Hauptbrennstoffweg zu erlauben. Ein Pilotventilelement im Inneren der Ventilkammer des Hauptventilelements ist für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert. In seiner ersten Position blockiert das Pilotventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem vorbestimmten Pilotdruck durch einen Pilotbrennstoffweg und in seiner zweiten Position ist das Pilotventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem vorbestimmten Pilotdruck durch den Pilotbrennstoffweg zu erlauben. Weiterhin umfasst der Pilotbrennstoffweg erfindungsgemäß eine Dosieröffnung, und in der ersten Position des Pilotventilelements blockiert das Pilotventilelement den Pilotbrennstoffweg an einer Position, welche von der Dosieröffnung beabstandet ist.
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Es ist auch vorgesehen, dass der Brennstoffzuleitungsarm eine erste Brennstoffleitung umfassen kann, welche den ersten Brennstoffweg von dem Mehrstufenabsperrventil fluidmäßig mit einem ersten Brennstoffkreis von dem Düsenkörper verbindet. Darüber hinaus kann eine zweite Brennstoffleitung den zweiten Brennstoffweg von dem Mehrstufenabsperrventil fluidmäßig mit einem zweiten Brennstoffkreis von dem Düsenkörper verbinden.
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Diese und andere Merkmale der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen leichter ersichtlich, welche zusammen mit den Zeichnungen verwendet wird.
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Figurenliste
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Damit Fachleute, für welche die vorliegende Erfindung bestimmt ist, leichter verstehen, wie das Mehrstufenabsperrventil und die Brennstoffeinspritzeinrichtung der vorliegenden Erfindung ohne übertriebenes Experimentieren herzustellen und zu verwenden sind, werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen derselben detailliert unter Bezugnahme auf bestimmte Figuren beschrieben, in welchen:
- 1 eine Querschnittsseitenansicht von einem einfachen Absperrventil vom Stand der Technik ist, welches den Kolben zeigt, welcher von dem Ventilgehäuse abgehoben ist, um eine Brennstoffströmung hindurch zu ermöglichen;
- 2 eine graphische Darstellung ist, bei der eine Einspritzeinrichtungsströmung gegen die Gesamtströmung aufgetragen ist, für ein System, welches vierzehn der Absperrventile vom Stand der Technik von 1 verwendet, welche den Effekt einer Auslösedruckvarianz von 10 psid ± 2 psig auf die Strömungsverteilung für das System zeigt;
- 3 eine graphische Darstellung ist, bei der die Strömung gegen den Druck aufgetragen ist, für das einfache Absperrventil von 1, welche die Einspritzeinrichtungsströmungskurve zeigt;
- 4 eine Querschnittsseitenansicht eines Steuerventils vom Stand der Technik ist, welches die Präzisionsöffnungsanordnung zur Regulierung einer Brennstoffströmung zeigt;
- 5 eine graphische Darstellung ist, bei der die Einspritzeinrichtungsströmung gegen die Gesamtströmung aufgetragen ist für ein System, welches vierzehn der Steuerventile vom Stand der Technik von 4 verwendet, welche den Effekt einer Auslösedruckvarianz von 63 psid ± 3 psig auf die Strömungsverteilung für das System zeigt;
- 6 eine graphische Darstellung ist, bei der die Strömung gegen den Druck aufgetragen ist, für das Steuerventil von 4;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Einspritzeinrichtung ist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche die Einspritzeinrichtung in einem teilweise weggeschnittenen Abschnitt einer Brennkammer zeigt;
- 8 eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts einer ersten Ausführungsform eines Mehrstufenabsperrventils ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche das Hauptventilelement und das Ventilgehäuse zeigt;
- 9 eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts des Mehrstufenabsperrventils von 8 ist, welche die Haupt- und Pilotventilelemente zeigt;
- 10 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 8 ist, welche die Ventilelemente zeigt, welche die Pilot- und Hauptströmungswege blockieren;
- 11 eine erweiterte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Mehrstufenabsperrventils von 10 ist, welche das Dichtungsbauteil von dem Pilotventilelement zeigt;
- 12 eine erweiterte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Mehrstufenabsperrventils von 10 ist, welche das Dichtungsbauteil von dem Hauptventilelement zeigt;
- 13 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 10 ist, welche das Pilotventilelement zeigt, welches verlagert ist, um eine Brennstoffströmung durch den Pilotströmungsweg zu erlauben;
- 14 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 10 ist, welches sowohl das Pilotventilelement als auch das Hauptventilelement verlagert zeigt, um eine Brennstoffströmung durch die Haupt- und Pilotströmungswege zu erlauben;
- 15 eine graphische Darstellung ist, bei der die Einspritzeinrichtungsströmung gegen die Gesamtströmung aufgetragen ist, für ein System, welches vierzehn der Mehrstufenabsperrventile von 10 verwendet, welche den Effekt einer Auslösedruckvarianz auf die Strömungsverteilung des Systems zeigt, bei der der Auslösedruck der ersten Stufe im Bereich von 30 psid ± 2 psig variiert;
- 16 eine graphische Darstellung ist, bei der die Einspritzeinrichtungsströmung gegen die Gesamtströmung aufgetragen ist, für ein System, welches vierzehn der Mehrstufenabsperrventile von 10 verwendet, welche den Effekt einer Auslösedruckvarianz auf die Strömungsverteilung zeigt für einen Bereich von Gesamtströmungraten, welche die Einspritzeinrichtungsströmungsraten umfasst, bei welchen die Hauptstufen ihre jeweiligen Auslösedrücke erreichen, wobei die Auslösedruckvarianz für die Hauptstufe im Bereich von 63 psid ± 2 psig variiert;
- 17 eine graphische Darstellung ist, bei der die Strömung gegen den Druck aufgetragen ist, für das Mehrstufenabsperrventil von 10;
- 18 eine Querschnittsseitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Mehrstufenabsperrventils ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche die Ventilelemente zeigt, die die Pilot- und Hauptbrennstoffwege blockieren, wobei das Pilotventilelement einen konischen Kolbenabschnitt umfasst;
- 19 eine erweiterte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Mehrstufenabsperrventils von 18 ist, welche das Dichtungsbauteil von dem Pilotventilelement zeigt;
- 20 eine erweiterte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Mehrstufenabsperrventils von 18 ist, welche das Dichtungsbauteil von dem Hauptventilelement zeigt;
- 21 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 18 ist, welche das Pilotventilelement zeigt, das verlagert ist, um eine Brennstoffströmung durch den Pilotströmungsweg zu erlauben;
- 22 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 18 ist, welches die Pilot- und Hauptventilelemente zeigt, die verlagert sind, um eine Brennstoffströmung durch die Haupt- und Pilotströmungswege zu erlauben;
- 23 eine Querschnittsseitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Mehrstufenabsperrventils ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche die Ventilelemente zeigt, welche die Pilot- und Hauptströmungswege blockieren, wobei das Pilotventilelement und das Hauptventilelement an einem gemeinsamen Dichtungsbauteil von dem Ventilgehäuse anliegen;
- 24 eine erweiterte Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Mehrstufenabsperrventils von 23 ist, welche das Dichtungsbauteil von dem Ventilgehäuse zeigt;
- 25 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 23 ist, welche das Pilotventilelement zeigt, welches verlagert ist, um eine Brennstoffströmung durch den Pilotströmungsweg zu erlauben;
- 26 eine Querschnittsseitenansicht des Mehrstufenabsperrventils von 23 ist, welche die Pilot- und Hauptventilelemente zeigt, die verlagert sind, um eine Brennstoffströmung durch die Haupt- und Pilotströmungswege zu erlauben;
- 27 eine Teilquerschnittsseitenansicht einer Brennstoffeinspritzeinrichtung ist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche ein Mehrstufenabsperrventil umfasst, welche die ersten und zweiten Brennstoffleitungen zeigt, welche die ersten und zweiten Brennstoffwege von dem Mehrstufenabsperrventil fluidmäßig mit den ersten und zweiten Brennstoffkreisen von dem Düsenkörper verbinden;
- 28 eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts der Brennstoffeinspritzeinrichtung von 27 ist, welche die ersten und zweiten Brennstoffwege von dem Mehrstufenabsperrventil zeigt, welche jeweils mit den ersten und zweiten Leitungen von der Einspritzeinrichtung in Fluidverbindung stehen; und
- 29 eine Querschnittsseitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Mehrstufenabsperrventils ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche ein drittes Ventilelement zeigt, um eine Strömungsverteilung in einem Zustand mittlerer Leistung bereitzustellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche Bezugszahlen ähnliche strukturelle Merkmale oder Aspekte der vorliegenden Erfindung bezeichnen. Für Erläuterungs- und Veranschaulichungszwecke und keine Einschränkung ist eine Teilansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Mehrstufenabsperrventils gemäß der Erfindung in 8 gezeigt und im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 100 bezeichnet. Andere Ausführungsformen eines Mehrstufenabsperrventils gemäß der Erfindung oder Aspekte davon sind in den 9 bis 29 vorgesehen, wie beschrieben werden wird. Das System der Erfindung kann in Gasturbinenmotoren verwendet werden, um eine Brennstoffströmung zu Einspritzeinrichtungen während einer Motorinbetriebnahme und anderen Situationen mit niedriger Leistung zu regulieren.
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1 zeigt ein einfaches Absperrventil 10. Ein Ventilgehäuse 12 mit einer inneren Ventilkammer 13, welche einen federbelasteten Kolben 14 aufnimmt, ist mit einer Brennstoffleitung in einer Brennstoffeinspritzeinrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Wenn kein Brennstoff durch das Absperrventil 10 fließt, liegt der Kolben 14 an dem Dichtungsbauteil 16 des Gehäuses 12 an. Wenn der Brennstoffdruck auf den Kolben 14 einen bestimmten Grenzwert überschreitet, überwindet die auf den Kolben 14 wirkende Druckkraft die Federkraft, um den Kolben 14 von dem Dichtungsbauteil 16 abzuheben, was eine Brennstoffströmung durch das Absperrventil 10 erlaubt, wie durch Pfeile in 1 angedeutet.
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2 zeigt eine graphische Darstellung, bei der die Einspritzeinrichtungsströmung gegen die Gesamtströmung aufgetragen ist, für ein System, welches vierzehn einfache Absperrventile hat, wie oben beschrieben. Die Kurven in 2 wurden erzeugt unter der Annahme, dass der mittlere Auslösedruck von 10 um etwa ± 2 psi für die vierzehn einfachen Absperrventile variiert. Wie in 2 gesehen werden kann, gibt es einen Bereich von über 400 pph zwischen der Öffnung von dem ersten und dem letzten Absperrventil. Darüber hinaus geben bei einer Gesamtströmung von etwa 150 pph nur die Hälfte der Absperrventile/Einspritzeinrichtungen Brennstoff ab, während die andere Hälfte in einem Nullströmungszustand bleibt.
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Da die Zündung in einem typischen Motor von etwa 150 bis 200 pph Gesamtverteilerströmung stattfinden kann und der Bodenleerlauf für einen typischen Motor etwa 400 pph Gesamtströmung betragen kann, kann leicht festgestellt werden, dass während der Zündung weniger als die Hälfte der Einspritzeinrichtungen Brennstoff abgeben können und selbst bei Bodenleerlaufbetrieb einige Einspritzeinrichtungen immer noch keinen Brennstoff abgeben können. Dies führt zu den oben beschriebenen Emissionsproblemen. Darüber hinaus können bei Bodenleerlaufzuständen die Temperaturen der Brennkammerflamme benachbart jeder Einspritzeinrichtung sehr differieren, da einige Einspritzeinrichtungen blockiert sein können und die übrigen Einspritzeinrichtungen in der Strömungsrate stark variieren können. Dies führt zu den oben behandelten heißen und kalten Stellen. Eine Linie, welche den Verteilerdruck über den Bereich der Gesamtströmung zeigt, ist auch als Referenz in 2 gezeigt. 3 zeigt die Einspritzeinrichtungsströmungskurve für ein einfaches Absperrventil, wie oben beschrieben, welche den Auslösedruck bei etwa 12 psid zeigt.
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Nun auf 4 Bezug nehmend ist ein Steuerventil 50 vom Stand der Technik gezeigt, welches ein Ventilgehäuse 51 und ein Ventilelement 52 hat. Die Präzisionsöffnungsanordnung des Ventilgehäuses 51 und des Ventilelements 52 sind konfiguriert, um Strömungsflächen zu erhöhen, während das Ventilelement 52 allmählich unter einem Einrichtungsbrennstoffdruck in dem Ventilgehäuse 51 verlagert wird (Pfeile zeigen in 4 die Strömungswege). Selbst bei einem Auslösedruck, welcher in einem Bereich von 63 psid ± 3 psig variiert, sorgt diese Konfiguration für eine sehr geringe Einspritzeinrichtungsströmungsvarianz, wie in der dichten Gruppierung der Einspritzeinrichtungsströmungskurven in 5 angezeigt, welche mit der oben erwähnten 2 verglichen werden kann. 5 zeigt auch eine Verteilerdruckkurve als Referenz. 6 kann mit 3 verglichen werden und zeigt eine graphische Darstellung von Einspritzeinrichtungsströmungskurven, umfassend den Auslösedruck von den Steuermerkmalen und von dem zugehörigen Pilotsperrventil für das Steuerventil der 4. Der Gegendruck von den Steuermerkmalen hilft sicherzustellen, dass es eine gleichmäßige Strömung überall in dem Verteiler/der Brennkammer gibt. Jedoch gibt es Probleme, welche mit Steuerventilen einhergehen, wie oben beschrieben.
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Wie in 7 gezeigt, umfasst die Erfindung eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 150 für einen Gasturbinenmotor. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 150 umfasst einen Brennstoffzuleitungsarm 152, welcher ein Brennstoffeinlassanschlussteil 154 hat, das mit wenigstens einer Brennstoffleitung 128 (siehe 8) im Inneren des Zuleitungsarms 152 in Fluidverbindung steht. Ein Düsenkörper 156 hängt von dem Zuleitungsarm 152 herab und umfasst einen Brennstoffauslass 158 in Fluidverbindung mit der Brennstoffleitung 128 von dem Zuleitungsarm 152.
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Nun auf 8 Bezug nehmend ist ein Mehrstufenabsperrventil 100 im Inneren der Einspritzeinrichtung 150 betriebsmäßig mit einer Brennstoffleitung 128 verbunden, um eine Brennstoffströmung zu dem Düsenkörper 156 zu regulieren. Gemäß der Erfindung umfasst das Mehrstufenabsperrventil 100 ein Ventilgehäuse 102, welches eine innere Ventilkammer 104 definiert. Ein Hauptventilelement 106 im Inneren der Ventilkammer 104 des Ventilgehäuses 102 hat eine innere Ventilkammer 108 und ist für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert. Wie in 9 gezeigt, umfasst das Mehrstufenabsperrventil 100 auch ein Pilotventilelement 112 im Inneren der Ventilkammer 108 von dem Hauptventilelement 106. Das Pilotventilelement 112 ist für eine Bewegung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert.
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10 zeigt das Hauptventilelement 106 und das Pilotventilelement 112 jeweils in einer ersten Position, in der sie eine Brennstoffströmung durch den Hauptbrennstoffweg 110 und den Pilotbrennstoffweg 114 effektiv blockieren. Wie in der vergrößerten Ansicht von 11 gezeigt, umfasst das Pilotventilelement 112 ein Dichtungsbauteil 126, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, eine Dichtung mit dem Hauptventilelement 106 auszubilden, um den Pilotbrennstoffweg 114 in der ersten Position des Pilotventilelements 112 zu blockieren. Wie in der vergrößerten Ansicht von 12 gezeigt, umfasst das Hauptventilelement 106 ein Dichtungsbauteil 124, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, eine Dichtung mit dem Ventilgehäuse 102 auszubilden, um den Hauptbrennstoffweg 110 in der ersten Position des Hauptventilelements 106 zu blockieren. Die Dichtungsbauteile 124 und 126 sind für eine weiche Dichtung (soft seal) oder leckagefreie Abdichtung (zero leak sealing) konfiguriert.
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Während der Brennstoffdruck in der inneren Ventilkammer 108 zunimmt, wird das Pilotventilelement 112 verlagert, wie in 13 gezeigt, um eine Brennstoffströmung um die stromaufwärtige Fläche des Pilotventilelements 112, durch die Radialdurchgänge 115 und in die Leitung 128 zu erlauben, wie durch Pfeile in 13 angezeigt. Das Mehrstufenabsperrventil 100 umfasst ferner ein Öffnungselement 116, welches eine Dosieröffnung 118 hindurch definiert, welche dem Hauptventilelement 106 betriebsmäßig zugeordnet ist, um Brennstoffströmungsraten durch den Pilotbrennstoffweg 114 (siehe 11) für Brennstoff zwischen den vorbestimmten Pilot- und Hauptdrücken zu dosieren. Dies erlaubt eine annähernd konstante Strömungsrate durch den Pilotströmungsweg 114, während sich der Druck aufbaut, was eine Strömungsverteilung bei niedriger Leistung in einer Brennkammer ermöglicht. Die Dosieröffnung 118 ermöglicht eine begrenzte Pilotströmung von Brennstoff während eines Betriebs mit niedriger Leistung, während sie ermöglicht, dass der Druck in der Ventilkammer 108 weiter ansteigt. Während sich der Brennstoffdruck weiter aufbaut, bewegt sich das Hauptventilelement 106 letztendlich stromabwärts, um den Hauptbrennstoffweg 110 (siehe 12) um das stromabwärtige Ende desselben herum zu öffnen, wie durch Pfeile in 14 gezeigt ist. Somit können bei höheren Leistungsniveaus sowohl der Hauptbrennstoffweg 110 als auch der Pilotbrennstoffweg 114 Brennstoff durch die Einspritzeinrichtung abgeben.
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Wie in den 13 und 14 gezeigt, ist das Hauptventilelement 106 mit dem Ventilgehäuse 102 durch ein erstes Federelement 120 verbunden, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, das Hauptventilelement 106 vorzuspannen, um den Hauptbrennstoffweg 110 in der ersten Position des Hauptventilelements 106 zu blockieren. Das Pilotventilelement 112 ist betriebsmäßig mit einem zweiten Federelement 122 verbunden, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, das Pilotventilelement 112 vorzuspannen, um den Pilotbrennstoffweg 114 in der ersten Position des Pilotventilelements 112 zu blockieren. Der Auslösedruck ist eine Funktion der Kolbenfläche und der Federvorspannkraft. Die jeweiligen Federelemente sind dazu konfiguriert, eine Federkraft bereitzustellen, welche dem gewünschten Auslösedruck bei der jeweiligen Ventilelementkolbenfläche entspricht. Daher kann ein vorgegebenes Ventilelement verlagert werden, wenn die darauf wirkende Druckkraft die Federkraft überwindet, welche das Ventilelement in die Schließposition vorspannt. Die Federelemente und/oder Kolbenflächen können so konfiguriert werden, dass sie vorbestimmte Pilot- und Hauptdrücke bereitstellen. Das Federelement 122 ist dazu konfiguriert, einen vorbestimmten Pilotdruck bereitzustellen, welcher geringer ist als der vorbestimmte Hauptdruck, für welchen das Federelement 120 konfiguriert ist. Fachleute werden leicht einsehen, dass die Federelemente konfiguriert sein können, um irgendwelche geeigneten speziellen Auslösedrücke für spezielle Anwendungen bereitzustellen. Andere beispielhafte Federtypen umfassen Tellerfedern vom Belleville-Stil, Federn vom Wellentyp. Irgendein anderer geeigneter Federtyp kann auch verwendet werden. Die Federauswahl hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, wie z.B. der Dehngrenze, basiert auf der Vorspannkraft (Auslösen (crack)) und dem Hub.
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15 zeigt eine graphische Darstellung, bei der eine beispielhafte Einspritzeinrichtungsströmung gegen die Gesamtströmung aufgetragen ist, für ein Mehrstufenabsperrventil 100 und kann mit den 2 und 5 verglichen werden. In der graphischen Darstellung der 15 hat die Pilotstufe einen Auslösedruck von 30 psid, welcher für die vierzehn Einspritzeinrichtungen um ± 2 psig variiert. 15 zeigt nur die Gesamtströmungen für die Pilotstufe. 16 zeigt beispielhafte Kurven für Gesamtströmungen bis zu 5000 pph, welche auch den Auslösedruck für die Hauptstufe bei etwa 63 psid bei etwa 600 pph Gesamtströmung zeigt. 15 mit 2 vergleichend zeigt, dass das Mehrstufenabsperrventil eine signifikant niedrigere Einspritzeinrichtungsströmungsvarianz hat als bekannte einfache Absperrventile für Bedingungen mit geringer Strömung. Die 15 und 16 zeigen auch den Verteilerdruck über den gesamten Strömungsbereich zur Bezugnahme. 17 zeigt beispielhafte Einspritzeinrichtungsströmungskurven für drei Mehrstufeneinspritzeinrichtungen, welche die Pilot- und Haupt-Auslösedrücke zeigt. Während beispielhafte Auslösedrücke und Auslösedruckvarianzen verwendet wurden, um die graphischen Darstellungen in den 15 bis 17 zu erzeugen, werden Fachleute leicht einsehen, dass das Mehrstufenabsperrventil 100 so konfiguriert sein kann, dass sie irgendwelche geeigneten Auslösedrücke und irgendeine geeignete Auslösedruckvarianz besitzt, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Wie in den graphischen Darstellungen der 16 bis 17 gesehen werden kann, gibt es einen Übergang, welcher beim Design von Mehrstufenabsperrventilen berücksichtigt werden kann. Der Übergangspunkt kann basierend auf Motorbetriebsbedingungen bestimmt werden. Es ist in hohem Maße wünschenswert, stationäre Motorzustände zu vermeiden, welche innerhalb der Übergangszone auftreten. Der Hauptauslösedruck kann zweckmäßigerweise so eingestellt werden, dass er innerhalb der Gesamtverteilerdruckgrenzen liegt und um eine Konstanz bei Betriebszuständen auf beiden Seiten des Übergangs bereitzustellen.
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Die 18 bis 22 zeigen eine andere Ausführungsform eines Mehrstufenabsperrventils 200 im Inneren einer Einspritzeinrichtung 201 mit einem Pilotventilelement 212 im Inneren eines Hauptventilelements 206. Jedes von den Haupt- und Pilotventilelementen 206, 212 ist federbelastet, etwa wie oben beschrieben. Das Pilotventilelement 212 umfasst ein Dichtungsbauteil 226, welches im Allgemeinen in der Form konisch ist. 19 zeigt eine Nahaufnahme des Dichtungsbauteils 226, wie es an dem Hauptventilbauteil 206 anliegt. 20 zeigt eine Nahaufnahme des Dichtungseingriffs von dem Dichtungsbauteil 224 von dem Hauptventilelement 206 gegen das Ventilgehäuse 202. 18 zeigt das Mehrstufenabsperrventil 200 in einem strömungslosen Zustand. Die allgemeine Funktionsweise der Haupt- und Pilotventilbauteile 206/212 ist ziemlich dieselbe wie oben bezüglich des Mehrstufenabsperrventils 100 beschrieben. 21 zeigt ein Mehrstufenabsperrventil 200 mit verlagertem Pilotventilelement 212, um Brennstoff zu ermöglichen, durch den Pilotbrennstoffweg zu strömen, welcher eine Dosieröffnung 218 umfasst, in die Leitung 228, wie durch Pfeile angedeutet. 22 zeigt Haupt- und Pilotventilelemente 206/212, welche verlagert sind, um Brennstoff zu ermöglichen, durch beide Brennstoffwege zu strömen, wie durch Pfeile angedeutet. Ein Vorteil des Absperrventils 200 ist, dass die allgemeine konische Form des Dichtungsbauteils 226 eine verbesserte Fähigkeit bereitstellen kann, Verunreinigungen aus dem Weg der Dichtung zu spülen.
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Wie in 23 gezeigt, ist ein Mehrstufenabsperrventil 300 vorgesehen, welches ein Ventilgehäuse 302 hat, das ein einzelnes Dichtungsbauteil 323 umfasst, welches dazu konfiguriert und ausgebildet ist, eine Dichtung sowohl mit dem Hauptventilelement 306 als auch dem Pilotventilelement 312 auszubilden, um den Hauptbrennstoffweg 310 und den Pilotbrennstoffweg 314 durch das Hauptventilelement 306 und das Pilotventilelement 312 jeweils in ihrer jeweiligen ersten Position zu blockieren. 24 zeigt ein Detail der Haupt- und Pilotventilelemente 306/312, welche an dem Dichtungsbauteil 323 des Ventilgehäuses 302 anliegen, was der strömungsfreie Zustand des Mehrstufenabsperrventils 300 ist. Die Funktionsweise der Pilot- und Hauptventilelemente 306/312 ist andererseits ähnlich dem oben beschriebenen Mehrstufenabsperrventil 100. Die 25 zeigt das Mehrstufenabsperrventil 300, bei dem das Pilotventilelement 312 verlagert ist, um Brennstoff zu ermöglichen, durch den Pilotbrennstoffweg einschließlich der Dosieröffnung 318 von dem Hauptventilelement 306 zu strömen, wie durch Pfeile angedeutet. 26 zeigt das Mehrstufenabsperrventil 300, bei dem die Haupt- und Pilotventilelemente 306/312 verlagert sind, um Brennstoff zu ermöglichen, durch beide Brennstoffwege in die Leitung 328 zu strömen, wie durch Pfeile angedeutet.
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Die in den 27 und 28 gezeigte Brennstoffeinspritzeinrichtung 450 umfasst zwei Brennstoffleitungen. Die erste Brennstoffleitung 428 verbindet fluidmäßig den ersten Brennstoffweg von dem Mehrstufenabsperrventil 400 mit einem ersten Brennstoffkreis 460 des Düsenkörpers 456. Die zweite Brennstoffleitung 429 verbindet fluidmäßig den zweiten Brennstoffweg von dem Mehrstufenabsperrventil 400 mit einem zweiten Brennstoffkreis 462 von dem Düsenkörper 456. 27 zeigt ein Hauptventilelement 406 und ein Pilotventilelement 412 von dem Mehrstufenabsperrventil 400 jeweils in einer ersten Position, in welcher sie die jeweiligen Haupt- und Pilotbrennstoffwege blockieren (einige Bezugszeichen sind in der 27 der Klarheit halber nicht gezeigt, siehe aber 28).
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Wenn ein Pilotschwellendruck erreicht ist, wird das Pilotventilelement 412 in dem festgelegten Element 403 verlagert, um den Pilotbrennstoffweg in die Leitung 428 zu öffnen, etwa wie oben bezüglich des Pilotventilelements 112 beschrieben. Jedoch liegt die Dichtung 498 von dem Hauptventilelement 406 an den Öffnungen 499 von dem festgelegten Gehäuse 402 an, um zu verhindern, dass Brennstoff durch die Hauptleitung 429 in den zweiten Brennstoffkreis 462 strömt. Wenn ein Hauptdruckschwellenwert erreicht ist, wird das Hauptventilelement 406 auch verlagert, um den Hauptbrennstoffweg in die Hauptleitung 429 durch Öffnungen 499 und Schlitze 497 zu öffnen, wie in 28 gezeigt. Auf diese Weise werden die getrennten Haupt- und Pilotströmungen beibehalten, wie durch Pfeile in 28 angedeutet. Die Trennung der Haupt- und Pilotströme auf diese Weise ist beispielhaft, da irgendwelche anderen geeigneten Mittel verwendet werden können, um die Haupt- und Pilotströme zu trennen.
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Das Mehrstufenabsperrventil 100 (10) stellt Brennstoff von beiden Haupt- und Pilotbrennstoffwegen 110/114 einer einzelnen Brennstoffleitung 128 bereit, um für eine Zündablaufsteuerung zu sorgen, ohne dass nicht zerstäubter Brennstoff aus dem Düsenauslass entweicht, wie oben beschrieben. Da jedoch das Mehrstufenabsperrventil 400 (28) Brennstoff in die Pilot- und Hauptleitungen 428/429 trennt, kann es verwendet werden, um eine Brennstoffströmung für einen Betrieb bei hoher und niedriger Leistung zu stufen. Es ist auch vorgesehen, dass zusätzliche Ventilelemente enthalten sein können für eine Zündablaufsteuerung und Regulierung einer Strömung zwischen einem Betrieb bei hoher und geringer Leistung.
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Wie in 29 gezeigt, umfasst ein Mehrstufenabsperrventil 500 ein Pilotventilelement 512, ähnlich dem Pilotventilelement 312, welches in 23 gezeigt ist. Das Pilotventilelement 512 ist mit dem Hauptventilelement 506 durch ein Federelement 522 verbunden. Das Hauptventilelement 506 umfasst eine Dosieröffnung 518, welche ungefähr wie die oben beschriebene Dosieröffnung 118 arbeitet. Das Hauptventilelement 506 ist mit einem dritten Ventilelement 507 durch ein Federelement 520 verbunden. Das dritte Ventilelement 507 umfasst eine Zwischendosieröffnung 519, welche eine Größe zwischen der Größe der Dosieröffnung 518 und der Öffnung in die Leitung 528 hat. Das dritte Ventilelement 507 ist wiederum mit dem Ventilgehäuse 502 durch ein drittes Federelement 524 verbunden.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 29 arbeitet das Pilotventilelement 512 etwa auf dieselbe Weise wie das Pilotventilelement 312 in 23, wie oben beschrieben. Wenn sich infolge der Dosieröffnung 518 ein Druck aufbaut, hebt sich das Ventilelement 506 von dem Dichtungselement 523 ab und Brennstoff kann an dem Ventilelement 506 vorbei durch Schlitze 595 und 593, durch die Dosieröffnung 519 und in die Leitung 528 strömen. Ein Abstandhalter bzw. Abstandsbolzen 547 stellt sicher, dass der Boden des Ventilelements 506 nicht die Dosieröffnung 519 blockiert und stellt eine Führung für die Bewegung des Ventilelements 506 im Inneren des Ventilelements 507 bereit.
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Die Zwischendosieröffnung 519 von dem dritten Ventilelement 507 erlaubt eine Dosierung von Brennstoff zwischen dem vorbestimmten Auslösedruck von dem Hauptventilelement 506 und einem dritten vorbestimmten Druck, bei welchem das dritte Ventilelement 507 auslöst. Wenn sich das Ventilelement 507 von dem Dichtungselement 523 abhebt, öffnet es einen dritten Brennstoffweg an dem dritten Ventilelement 507 vorbei durch Schlitze 599 und Öffnungen 597 in die Leitung 528. Ein Abstandhalter bzw. Abstandsbolzen 549 dient dazu, zu verhindern, dass der Boden von dem Ventilelement 507 die Leitung 528 blockiert und stellt eine Führung für die Bewegung des Ventilelements 507 im Inneren des Gehäuses 502 bereit.
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Die Kolbenflächen der Ventilelemente 506/507/512, die Federkonstanten der Federelemente 520/522/524 und die Abmessungen der Dosieröffnungen 518/519 können alle so konfiguriert sein, dass sie die gewünschten vorbestimmten Auslösedrücke für die jeweiligen Ventilelemente bereitstellen. Das Mehrstufenabsperrventil 500 kann beispielsweise verwendet werden, wenn es einen Zustand mittlerer Leistung gibt, welcher für eine Strömungsverteilung zusätzlich zu den oben beschriebenen Haupt- und Pilotströmungszuständen wichtig ist.
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Wie in dem Beispiel der 29 gezeigt, liegen alle drei Ventilelemente 506/507/512 an einem gemeinsamen Dichtungsbauteil 523 in dem strömungsfreien Zustand (zero flow condition) an. Fachleute werden leicht einsehen, dass in derselben Weise jede Anzahl an zusätzlichen Stufen einem Mehrstufenabsperrventil gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt werden könnte. Darüber hinaus werden Fachleute leicht einsehen, dass Mehrstufenabsperrventile, welche mehr als zwei Stufen haben, in Einspritzeinrichtungen verwendet werden können, welche mehrere Leitungen und Brennstoffkreise haben, wie oben unter Bezugnahme auf die 27 und 28 beschrieben.
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Die hier beschriebenen Ventilelemente und Gehäuse können aus typischen Einspritzeinrichtungsmaterialien hergestellt sein, umfassend Rostfreier Stahl Serien 300 oder 400 oder jedes andere geeignete Material. Andere beispielhafte Materialien umfassen Nickel-Superlegierungen, wie z.B. AMS 5666, AMS 5754, AMS 5656, AMS 5643, AMS 5622, AMS 5732, AMS 5737, AMS 5895 und AMS 5616. Die Federn können aus ähnlichen Materialien sein und können auch beispielsweise AMS 5708, AMS 5709, AMS 5706, AMS 5707, AMS 5678, AMS 5659, AMS 5698 oder AMS 5699 umfassen. Die hier beschriebenen Dichtungsbauteile können 75 Durometer Niedertemperatur Viton® -Gummi umfassen, welcher von DuPont aus Wilmington, Delaware erhältlich ist, welcher als ASTM D1418 und ISO 1629 charakterisiert werden kann. Elastomere Materialien für Dichtungsbauteile sollten für die Brennstoffeinspritzeinrichtungsumgebung geeignet gewählt werden. Es ist auch möglich, ein Mehrstufenabsperrventil ohne Elastomerdichtungen herzustellen (d.h. Metall-auf-Metall-Dichtungen und dgl.), welche das Ergebnis einer vorbestimmten Leckagerate haben könnten. Es ist auch vorgesehen, dass ein einzelnes Mehrstufenabsperrventil ein oder mehrere Stufen mit harten Dichtungen und eine oder mehrere Stufen mit elastomeren Dichtungen haben kann. Fachleute werden leicht einsehen, dass irgendwelche anderen geeigneten Materialien bei den Bauteilen der Mehrstufenabsperrventile verwendet werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Die oben beschriebenen Mehrstufenabsperrventile nutzen die Vorteile von dem Steuerventil (scheduling valve) bei den Niederdruckzuständen, um eine Strömung gleichmäßig überall in dem Verteiler zu verteilen. Sie beseitigen auch die in Steuerventilen vorhandenen Hysteresebedenken, da es keine Abhängigkeit von einer Federkompression und Dosierung für einen festgesetzten Druck gibt. Die hier offenbarten Mehrstufenabsperrventile reduzieren auch das Ausmaß einer erforderlichen Präzisionsöffnungsanordnung und es ist kein Paarungsschleifen erforderlich. Sie sorgen ferner für eine Brennstoffverteilung, welche besser ist als die von einfachen Absperrventilen bei Zuständen niedriger Leistung und die Varianz bei Zuständen mit hoher Leistung ist auch besser als bei bekannten einfachen Absperrventilen.
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Die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben sind und in den Zeichnungen gezeigt sind, ermöglichen ein Mehrstufenabsperrventil mit überragenden Eigenschaften einschließlich einer verbesserten Regulierung einer Brennstoffströmung bei Zuständen mit geringer Strömung, während sie geringe Toleranzerfordernisse, eine kleine oder keine Hysterese und eine Anpassung an Brennstoffverunreinigungen und Partikel haben. Während die Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, werden Fachleute leicht einsehen, dass Veränderungen und/oder Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Ein Mehrstufenabsperrventil umfasst ein Ventilgehäuse, welches eine innere Ventilkammer definiert. Ein Hauptventilelement im Inneren der Ventilkammer des Ventilgehäuses hat eine innere Ventilkammer. In seiner ersten Position blockiert das Hauptventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem vorbestimmten Hauptdruck durch einen Hauptbrennstoffweg. In seiner zweiten Position ist das Hauptventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem vorbestimmten Hauptdruck durch den Hauptbrennstoffweg zu erlauben. Das Mehrstufenabsperrventil umfasst auch ein Pilotventilelement im Inneren der Ventilkammer von dem Hauptventilelement. In seiner ersten Position blockiert das Pilotventilelement eine Strömung von Brennstoff unter einem vorbestimmten Pilotdruck durch einen Pilotbrennstoffweg. In seiner zweiten Position ist das Pilotventilelement verlagert, um eine Strömung von Brennstoff über dem vorbestimmten Pilotdruck durch den Pilotbrennstoffweg zu erlauben.
