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Zylinderkopf für Pumpen und Kompressoren mit Druckventil und ringförmig
ausgebildetem Saugventil Die Erfindung bezieht sich auf einem Zylinderkopf für Pumpen
und Kompressoren mit Druckventil und ringförmig ausgebildetem Saugventil, die in
Richtung der Zylinderachse hintereinanderliegend zentral im Zylinderkopf angeordnet
sind und mit einem gleichfalls zentral im Zylinderkopf zwischen den beiden Ventilen
angeordneten zylindrischen Kernstück, das an seinen beiden Stirnseiten die Sitze
für Saug- und Druckventil trägt und eine Längsbohrung als Zulaufbohrung für das
Druckventil aufweist.
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Erfahrungsgemäß sind die Zylinderköpfe von Pumpen und Kompressoren
für sehr hohe Betriebsdrücke in besonderem Maße durch Dauerbrüche gefährdet. Dies
ist dadurch begründet, daß im Zylinderkopf das Saug- und das Druckventil angeordnet
werden müssen, wodurch naturgemäß Durchdringungsstellen von Bohrungen entstehen,
die Kerbstellen bilden und Anlaß zu einer beträchtlichen Spannungshöhung geben.
Durch sorgfältige Ausrundung der Durchdringungsstellen können diese Spannungsspitzen
zwar ein wenig reduziert, aber nie beseitigt werden.
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Derartige Spannungsspitzen sind in einem Hochdruckgefäß, welches unter
konstantem Druck steht, im allgemeinen ungefährlich. Selbst wenn die Spannung lokal
über die Streckgrenze des Materials hinausgehen sollte, so wird sie bei genügend
dehnbarem Material durch Fließen, also durch plastische Verformung ausgeglichen.
Die Spannung wird dadurch gleichmäßiger und über den Querschnitt besser verteilt
und eine Bruchgefahr ist damit nicht verbunden, solange das Fließen örtlich beschränkt
bleibt und nicht bis an die äußere Faser durchgeht.
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Zylinderköpfe hingegen sind einem pulsierenden Druck ausgesetzt, der
beim Arbeitsspiel der Maschine ständig zwischen dem Ansaugedruck und dem Enddruck
schwankt. Unter diesen Verhältnissen ist es nicht so sehr die höchste auftretende
Beanspruchung, die die Bruchgefahr bestimmt, sondern der Unterschied zwischen der
höchsten und der niedrigsten im Betrieb auftretenden Spannung. Um eine Bruchgefahr
auszuschließen, ist es unter diesen Verhältnissen nicht nur notwendig, die höchste
auftretende Spannung unter der Streckgrenze zu halten, sondern auch der Unterschied
zwischen der höchsten und der niedrigsten auftretenden Spannung darf einen gewissen
Wert nicht überschreiten, der der Dauerfestigkeit des Materials entspricht. Da die
im Zylinderkopf vorhandenen Durchdringungsstellen von Bohrungen und Kerbstellen
die Spannungen und auch die Spannungsunterschiede um ein Mehrfaches erhöhen, wird
der Druckunterschied, den die Maschine überwinden kann, in empfindlicher Weise eingeschränkt.
Es sind Konstruktionen bekannt, bei denen die Kerbwirkungen durch konzentrische
Anordnung der Ventile vermindert werden sollen. Bei diesen Bauarten enthält der
Zylinderkopf üblicherweise eine zentrale Bohrung, die durch das Druckventil abgeschlossen
wird und eine konzentrisch dazu angeordnete ringförmige Saug-Ventilplatte. In einem
solchen Zylinderkopf herrschen infolge der koaxialen Anordnung der Ventile Spannungen,
die in bezug auf jede Mittelebene genau symmetrisch sind. Kerbstellen können jedoch
nicht vollständig vermieden werden; da es nötig ist, im Zylinderkopf eine Reihe
im Kreise angeordneter Bohrungen unterzubringen, durch welche das Gas der ringförmigen
Saugventilplatte zuströmen kann. Diese Bohrungen stellen naturgemäß ebenfalls Kerbstellen
dar und verursachen infolgedessen eine lokaleErhöhung derWechselspannungen, wenn
auch nicht in so großem Maße wie bei getrennter Anordnung von Saug- und Druckventil.
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Bei einer bekannten Brennstoffeinspritzpumpe weist der aus mehreren
Teilen zusammengesetzte Zylinderkopf ein zentral angeordnetes Druckventil und ein
koaxial dazu liegendes; ringförmig ausgebildetes Saugventil auf, zwischen denen
ein zylindrisches Kernstück liegt, das an seinen beiden Stirnseiten die Sitze für
die beiden Ventile trägt. Das in einer zu seiner Achse senkrecht stehenden Ebene
geteilte zylindrische Kernstück hat außer einer zentralen Längsbohrung bzw. einer
oder mehreren außerhalb der Längsachse liegenden Längsbohrungen für die Zuführung
des unter Druck stehenden Arbeitsmittels
zum Druckventil noch eine
Reihe von Querbohrungen für das angesaugte Arbeitsmittel. Sowohl die ganz in die
eine Stirnfläche des zylindrischen Kernstückes eingelassene, kegelige Sitzfläche
des Saugventils als auch die Querbohrungen für das angesaugte Arbeitsmittel haben
Kerbwirkungen zur Folge.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf
der eingangs genannten Art für sehr hohe Drücke so auszuführen, daß Durchdringungen
von Bohrungen und Kerbstellen und damit Spannungsunterschiede und Dauerbrüche vollständig
vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem
solchen Zylinderkopf zwischen dem Kernstück und dem Außenteil des Zylinderkopfes
ein Ringspalt vorgesehen ist, der den Zulaufkanal zum Saugventil bildet, wobei die
gesamte vom Ringspalt durchschnittene Sitzfläche des Saugventils im inneren Bereich
von der Stirnfläche des Kernstückes und im äußeren Bereich vom Außenteil des Zylinderkopfes
gebildet wird.
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Die Dauerfestigkeit eines derartigen Zylinderkopfes kann daher bei
dieser Ausführung ebenso hoch gemacht werden wie die Dauerfestigkeit der Zylinderbüchse,
die ihrer Natur nach ein einfacher zylindrischer Körper ist und so leicht von Kerbstellen
freigehalten werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer
einzigen Figur dargestellt.
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In einer starkwandigen Zylinderbüchse 1 bewegt sich ein Hochdruckkolben
2, dessen Abdichtung als unerheblich für den Gegenstand der Erfindung in der Zeichnung
nicht dargestellt ist. Durch kräftige Schrauben 3 wird ein Zylinderkopf zusanunengesetzter
Konstruktion auf die Zylinderbüchse 1 aufgepreßt.
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In diesem Zylinderkopf befindet sich ein Kernstück 4 von zylindrischer
Gestalt, dessen Bohrung durch das Druckventil s verschlossen wird. Das Kernstück
4 ist mit Spiel in ein Außenteil 6 eingesetzt und der entstehende ringförmige Spalt
dient erfindungsgemäß dazu, das Gas der ringförmigen Saugventilplatte 7 zuzuführen.
Dadurch ist es möglich, in dem dem wechselnden Innendruck des Zylinders ausgesetzten
Kernstück 4 jegliche Kerbstelle durch schroffe Querschnittsänderung oder durch Bohrungen
auszuschalten. Die unvermeidliche Durchdringungsstelle der Bohrung 8, durch welche
das angesaugte Gas zugeführt wird, liegt nunmehr in dem Außenteil 6 und steht nicht
unter dem pulsierenden Druck des Zylinders, sondern nur unter dem konstanten Druck
der Saugleitung. Diese Durchdringungsstelle ist also im Sinne des eingangs Gesagten
unschädlich und beeinflußt die Dauerhaltbarkeit nicht.
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Es ist unvermeidlich, in einem derartigen Zylinderkopf die Innenbohrung
an einer Stelle zu vergrößern, um den nötigen Raum für die Unterbringung der ringförmigen
Saugventilplatte und der Hubbegrenzung zu finden. Diese schroffe Querschnittserweiterung
würde ebenfalls eine gefährliche Kerbwirkung darstellen, wenn sie durch Vergrößern
der Bohrung im selben Stück erreicht würde. Um auch diese Kerbwirkung auszuschalten,
wird die für das Saugventil nötige Kammer durch einen getrennten Ring 9 gebildet.
Dieser Ring hat ebenfalls rein zylindrische Gestalt ohne schroffe Querschnittsänderungen
und ist daher keinen Kerbwirkungen oder sonstigen die Dauerfestigkeit mindernden
Einflüssen unterworfen. Die gesamte vom Ringspalt zwischen dem Kernstück 4 und dem
Außenteil 6 durchschnittene Sitzfläche des Saugventils 7 wird im inneren Bereich
von der Stirnfläche des Kernstückes und im äußeren Bereich vom Außenteil 6 gebildet.
In ähnlicher Weise wird bei der für die Unterbringung des Druckventils nötigen Erweiterung
der Bohrung eine Kerbwirkung dadurch vermieden, daß das Druckventil in einem getrennten
Teil 10 untergebracht wird.
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Um die Belastungsfeder des Saugventils 7 zu führen und den Hub dieses
Ventils zu begrenzen, ist eine Ventilführung 11 notwendig. Ebenso wird zur Führung
der Belastungsfeder des Druckventils und zur Hubbegrenzung des Druckventils eine
Ventilführung 12 benötigt. Obwohl diese beiden Ventilführungen an und für sich durch
den Gasdruck nicht beansprucht werden, da sie gewissermaßen allseitig im Druck schwimmen,
können sie doch erfahrungsgemäß zum Ausgangspunkt von Dauerbrüchen werden, wenn
sie mit den umgebenden Teilen des Ventilkopfes starr verbunden sind. Dies ist darin
begründet, daß unter der Wirkung des hohen Innendrucks die umgebenden Teile sich
radial ausdehnen und daß sie bei starrer Verbindung auch die Ventilführungen zwingen,
an dieser Dehnung teilzunehmen. Da die Ventilführungen unvermeidlicherweise eine
komplizierte Gestalt aufweisen, die nicht frei von Kerbwirkungen sein kann, können
daher Dauerbrüche verursacht durch diese aufgezwungenen Dehnungen auftreten, die
sich dann auch in die starr damit verbundenen Außenteile des Ventilkopfes fortpflanzen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Dauerbruchgefahr ausgehend von diesen
Teilen dadurch ausgeschaltet, daß die Ventilführungen 11 und 12 in
solcher Art in den Ventilkopf eingesetzt sind, daß die Dehnung der Außenteile nicht
zu behindern vermögen und ihnen nicht zu folgen brauchen.
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Es ist ersichtlich, daß die Dauerfestigkeit eines derartigen zusammengesetzten
Zylinderkopfes ebenso hoch sein kann wie diejenige der Zylinderbüchse 1, da die
einzigen vom wechselnden Innendruck beanspruchten Teile, nämlich das Kernstück
4 und der Ring 9 ebenso wie die Zylinderbüchse 1, eine rein
zylindrische Gestalt besitzen, die nicht durch Kerbstellen oder Querschnittsänderungen
geschwächt wird.
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Es ist bekannt, die Widerstandsfähigkeit zylindrischer Büchsen gegen
hohen Druck durch Schrumpfung zu erhöhen und von diesem Mittel ist auch bei Zylinderbüchsen
schon Gebrauch gemacht worden. Durch die Erfindung wird es möglich, auch die dem
wechselnden Innendruck ausgesetzten Teile durch Schrumpfung in eben solcher Art
ohne irgendwelche Kerbwirkungen zu verstärken. Die Schrumpfung würde bei der Zylinderbüchse
1 beispielsweise derart ausgeführt, daß sie wie durch die gestrichelte Linie 13
angedeutet, aus einer Außenbüchse und einer eingeschrumpften Innenbüchse hergestellt
würde. In ähnlicher Art könnte der Ring 9, wie durch die gestrichelte Linie
14 angedeutet, aus einem Außen- und einem Innenring zusammengeschrumpft werden.
Ebenso kann auch das Kernstück 4, durch die gestrichelte Linie 15 angedeutet,
aus einem Außen- und einem Innenzylinder zusammengeschrumpft werden.
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Die Dauerfestigkeit derartig geschrumpfter Zylinder kann erhöht werden,
wenn für das Innenrohr ein Material mit höherem Elastizitätsmodul gewählt wird.
Der höhere Elastizitätsmodul hat zur Folge, daß das Atmen des Innenzylinders, d.
h. die Veränderung der Ausdehnung beim Wechsel vom Enddruck zum Saugdruck
vermindert
wird. Im gleichen Maße vermindert sich auch das Atmen des auf den Innenzylinder
aufgeschrumpften Außenzylinders. Da die Spannungen den Dehnungen proportional sind,
wird also durch diese Kombination zweier Materialen von ungleichem Elastizitätsmodul
die Wechselbeanspruchung verringert oder die Dauerfestigkeit erhöht. Bei einem Ventilkopf
gemäß der Erfindung ist es möglich, dieses Mittel zur Erhöhung der Dauerfestigkeit
nicht nur bei der Zylinderbüchse, sondern auch bei dem Ventilkopf selbst anzuwenden,
indem bei den beiden einzigen dem wechselnden Innendruck ausgesetzten Teilen, nämlich
dem Kernstück 4 und dem Ring 9, das Innenteil jeweils aus einem Material höheren
Elastizitätsmoduls ausgeführt wird.