DE2203259C2

DE2203259C2 - Dosierventil, insbesondere für Kraftstoffeinspritzdüsen

Info

Publication number: DE2203259C2
Application number: DE2203259A
Authority: DE
Inventors: Harold Cuthbert Richmond Heights Ohio Simmons
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-24
Publication date: 1984-04-12
Also published as: DE2203259A1; CA956201A; JPS5777771U; FR2170316A5; US3727636A; GB1329350A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Dosierventil, insbesondere für Kraftstoffeinspritzdüsen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Dosierventile der eingangs genannten Art sind aus den US-PS 34 43 760 und 30 22 954 bekannt. Bei dem to Ventil nach der US-PS 34 43 760 ist ein kegelförmiger Ventilteller vorgesehen, der von dem Flüssigkeitsdruck auf seiner innerhalb des Durchflußkanals liegenden Kegelmantelfläche beaufschlagt wird. Der kegelstumpiförmige Ventilteller wird von seinem zugeordneten Sitz tö abgehoben, sobald der auf die Kegelmantelfläche wirkende Flüssigkeitsdruck die Kraft der Druckfeder überwindet. Sobald der Ventilteller von seinem zugeordneten Sitz abgehoben ist, bildet sich ein ringförmiger Durchtrittsspalt, dessen Breite mit zunehmender Auslenkung des Ventiltellers zunimmt. Hierbei sind zwei Führungen für den Ventilschaft vorgesehen. Der Ventilschaft ist einerseits an seinem Ende mit einem Kolben versehen, der in einer zylindrischen Buchse geführt ist, und andererseits ist der Ventilschaft im Abstand yon dem Kolben in einem mit einer axialen Bohrung versehenen Einsatz geführt, der einen Teil des Durchflußkanals bildet. Bei diesem Ventil sind die durch den Flüssigkeitsdruck erzeugten Öffnungskräfte abhängig von der Größe des zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz sich ausbildenden Öffnungsspalts, weil als Druckfläche zur Betätigung des Ventils nur die Wandfläche des kegelstumpfförmigen Ventiltellers zur Verfügung steht, die einerseits durch den Ventilschaft und andererseits durch den Öffnungsspalt begrenzt wird. Da sich der Durchmesser des Ventilschafts aus Festigkeitsgründen nicht beliebig verringern läßt und da andererseits auch die als Druckfläche zur Verfügung stehende Mantelfläche des Ventilteller nicht beliebig vergrößert werden kann, weil sodann der ringförmige Öffnungsspalt unzulässig große Ausmaße annehmen würde, nuß die den Ventilteller in Richtung auf seinen Sitz beaufschlagende Druckfeder entsprechend schwach ausgeführt werden, so daß bereits ein relativ geringer auf den Ventilteller wirkender Flüssigkeitsdruck zur Öffnung des Ventils ausreicht. Zur Öffnung des Ventils muß nicht nur die Kraft der Feder, sondern auch die Reibung überwunden werden, die sowohl der mit dem Schaft verbundene Kolben als auch der Schaft selbst in seiner Führung erfährt. Da diese Reibung relativ zu Kraft der Feder und der durch den Flüssigkeitsdruck erzeugten Öffnungskraft groß ist, bestehen bei dem bekannten Ventil beträchtliche Reibungs- und Hystereseverluste. Das aus der US-PS 34 43 760 bekannte Ventil stimmt hinsichtlich seines Aufbaus weitgehend mit dem in der US-PS 30 22 954 beschriebenen Ventil überein, und beide Ventile sind hinsichtlich der Anwendung hauptsächlich als Sicherheitseinrichtungen gedacht, so daß es sich um sogenannte Sicherheitsventile handelt, die dann unter dem Flüssigkeitsdruck selbsttätig schließen, wenn der Ventilschaft des Ventils brechen sollte.

Aus der DE-PS 9 07 837 ist eine andere Gattung eines Ventils, ein Überdruckventil, bekannt, das einen kegelstumpfförmigen Ventilteller aufweist. Dieses Überdruckventil ist mit einem Dämpferkolben versehen. Auch hierbei müssen Hysterese- und Reibungsverluste in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dosierventil der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß bei feiner Dosierung geringere Hysterese- und Reibungsverluste vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Das Dosierventil nach der Erfindung ist derart ausgelegt, daß sich die zur Öffnung des Ventils von dem Flüssigkeitsdruck beaufschlagte Fläche des Ventiltellers vergrößern läßt, ohne daß sich hierbei das ringförmige Öffnungsspalt vergrößert. Zur Dosierung der Durchflußmenge sind gesonderte Dosiernuten vorgesehen, die entsprechend der gewünschten Durchflußcharakteristik ausgebildet werden. Entsprechend dem großen von dem Flüssigkeitsdruck beaufschlagten Durchmesser des Ventiltellers lälJt sich auch die Druckfeder stark ausführen, so daß im Hinblick auf die Federkraft die

Reibungs- und Hystereseverluste vernachlässigbar klein sind. Da der Ventilteller mit seinem zylindrischen Teil in einem entsprechend bemessenen Teil des Durchflußkanals geführt ist, braucht für den Ventilschaft nur noch eine weitere Führung vorgesehen zu sein, die sicherstellt, daß der zylindrische Teil des Ventiltellers in der zugeordneten Bohrung sich nicht verklemmt oder verkantet. Hierzu reicht es aus, daß der Ventilschaft mit relativ großem Spiel in seiner zugeordneten Bohrung geführt ist, so daß sich aufwendige und toleranzgenaue Bearbeitungen einsparen lassen. Eine Präzisionsbearbeitung ist nur für den zylindrischen Teil des Ventiltellers und der zugeordneten Bohrung erforderlich, um in der Schließstellung des Ventils eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten.

Auch läßt sich eine vom auf den Ventilteller wirkenden Flüssigkeitsdruck abhängige Regelung für die Durchflußmenge gewährleisten, da sich der Durchlaßquerschnitt der Dosiernuten mit der Axialbewegung des Ventilelements verändert Die Fede.· versucht hierbei das Ventilelement in Richtung einer Verkleinerung des Durchlaßquerschnitts der Dosiernut zu bewegen, während der auf den Ventilteller wirkende Druckmitteldruck entgegengesetzt gerichtet ist und das Ventilelement in Richtung einer Vergrößerung des Durchlaßquerschnitts der Dosiernut zu bewegen versucht, wenn der Flüssigkeitsdruck die von der Fedei aufgebrachte Vorbelastung in Richtung der Schließstellung des Ventiltellers durch den Flüssigkeitsdruck überwunden wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen wiedergegeben.

Bei der Auslegung des Dosierventils nach Anspruch 2 wird erreicht, daß sich die durch die Dosiernut gehende Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von der axialen Stellung des zylindrischen Teils des Ventiltellers in vorbestimmter Weise durch entsprechende Wahl der Abmessungen der Umfangsbreite und/oder der radialen Tiefe der axial verlaufenden Dosiernut ändert.

Da beim Dosierventil nach Anspruch 3 der Ventilschaft im Bereich seines Führungsteils unrund ist, sind im Bereich der Führung kleine Berührungsflächen, so daß bei der Verstellung des Ventils auch nur entsprechend kleine Reibungskräfte zu überwinden sind, die vernachlässigbar klein sind.

Bei der in Anspruch 4 angegebenen Auslegungsform des Dosierventils wird erreicht, daß sich das Ventilelement in seinen Führungen nicht verkanten und verklemmen kann, obwohl das Spiel im Bereich des Ventilschaftes größer als im Bereich des Ventiltellers ist.

Bei der Auslegung des Dosierventils nach Anspruch 5 wird erreicht, daß eine Flüssigkeitsdurchströmung des Ventils verhindert wird, wenn der auf den Ventilteller wirkende Flüssigkeitsdruck kleiner als die Federkraft der Feder ist.

Der Anspruch 6 schließlich gibt eine zweckmäßige Auslegungsform der Auflager für die Feder wieder, wobei das gehäusefeste Widerlager für die Feder eine Schulter ist, die am Führungskörper ausgebildet ist. der zur Führung des Ventilschafts dient und in das Gehäuse des Dosierventils fest eingesetzt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Beispiel näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Querschnittsansicht eines Dosierventils.

In der Zeichnung ist ein Dosierventil 1 gezeigt, das ein Gehäuse 2 mit einem mit einem Sieb versehenen Einlaß 3 und einen Auslai3 4 hat. Wenn das Dosierventil 1 für die einer Einspritzdüse zuzuführende Kraftstoffmenge bestimmt ist steht der Einlaß 3 mit einem Kraftstoffverteiler 5 und der Auslaß 4 mit der Sekundäröffnung einer Einspritzdüse mit zwei Öffnungen in Verbindung. Ein Ventilführungs- und -sitzkr»rper 8 ist in dem Gehäuse 2 mittels eines Dichtungsringes 6 abgedichtet und mittels Anschweißen einer Kappe 7 festgelegt In dem Sitzkörper 8 ist ein gehärtetes Rohrstück 10 beispielsweise durch Schweißen befestigt, das eine

ίο zylindrische Bohrung 9 hat Ein bewegliches Ventilelement 11 hat einen Ventilteller 12 mit einer kegelstumpfförmigen Fläche 14, die zur Anlage an dem von der zylindrischen Bohrung 9 gebildeten Ventilsitz bringbar und von diesem wegbewegbar ist Der Fläche 14 benachbart weist der Ventilteller 12 einen zylindrischen Teil 15 auf, der mittels eines engtolerierten Gleitsitzes in der zylindrischen Bohrung 9 des Rohrstücks 10 geführt ist und an seinem Rand eine oder mehrere Dosiernuten 16 hat Bei ein^r Abwärtsbewegung des Ventilelements 11 von dem von der zylind. ischen Bohrung 9 gebildeten Ventilsitz weg nimmt die Menge des durch das Dosierventil 1 strömenden Kraftstoffes fortschreitend zu. Die Dosierkennlinie des Dosierventils 1 läßt sich verändern, indem man die Krümmung am Grunde jeder Dosiernut 16 verändert, oder indem man Dosiernuten 16 vorsieht, deren Flanken nicht wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel sind, sondern aufwärts divergierend oder konvergierend ausgebildet sind, und indem man die Radien zwischen dem Grund und den Flanken jeder Dosiernut 16 verändert.

Die Durchmesserdifferenz zwischen der Bohrung 9 des Rohrstücks 10 und dem zylindrischen Teil 15 beläuft sich zweckmäßigerweise auf 0,127 μπι, wobei die Innenwandung des Rohrstücks 10 in der dargestellten

j5 Weise genutet ist, damit die Hysteresewirkung und die Reibung möglichst gering sind.

Das Ventilelement 11 hat einen Ventilschaft 17,derim Bereich seines oberen Endes einen Führungsteil 18 besitzt, der in einer Bohrung 19 des Führungskörpers 8 geführt ist. Infolge des relativ großen Längsabstandes zwischen dem Führungsteil 18 und dem zylindrischen Teil 15 des Ventiltellers 12 beläuft sich die Durchmesserdifferenz zwischen dem Ventilschaft 17 und der Bohrung 19 auf etwa 8 μην Außerdem besitzt der Führungsteil 18 Vertiefungen oder Abflachungen 20, so daß kleine Berührungsflächen zwischen dem Ventilschaft 17 und der Bohrung 19 vorhanden sind. Dadurch werden die Reibungs- und Hystereseverluste weiter herabgesetzt.

-,ο Der Ventilschaft 17 hat in seinem oberen Endteil eine Umfangsnut 21, in der ein geschlitzter Federring 23 angeordnet ist, der in einer Flachsenkung eines Federtellers 24 sitzt. Zwischen dem Federteller 24 und einer ein gehäusefestes Widerlager bildenden Schulter 26 des Führungskörpers 8 ist eine Feder 25 angeordnet, die den Ventilteller 12 in Richtung auf seine Schließstellung beaufschlagt. Die Vorspannung der Feder 25 läßt sich durch Verwendung eines dünneren oder dickeren, geschlitzten Federrings 23 oder von

bo darunter angeordneten Unterlegscheiben oder von Unterlegscheiben an einem oder beiden Auflagern der Feder 25 verändern.

Da der Durchmesser des von der zylindrischen Bohrung 9 gebildeten Ventilsitzes relativ zu der

ηϊ Querscrnittsfläche der Dosiernuten 16 relativ groß ist. sind zur Betätigung des Ventilelements 11 größere Kräfte erforderlich als bei Dosierventilen, bei denen der Sitzdurchmesser etwa dem Durchmesser der Führungs-

bohrung entspricht. In dem vorliegenden Fall ist der Durchmesser der zylindrischen 9, d. h. der Ventilsitzdurchmesser, mehr als das Dreifache des Durchmessers der Bohrung 19 größer, so daß die Ventilsitzfläche etwa zehnmal so groß ist als wenn das Ventilsitzdurchmesser etwa so groß wäre wie der Bohrungsdurchmesser. Es ist daher eine Feder 25 für das Dosierventil 1 erforderlich, die eine starke Vorbelastung aufbringt. Trotzdem ist der Hub, d. h. die Strecke, über die sich das Ventilelement 11 aus der Stellung, in der das Dosierventil vollständig geschlossen ist, in die Stellung bewegt, in der das Dosierventil vollständig geöffnet ist, mit dem Hub von üblichen Dosierventilen mit veränderlichem Durchlaßquerschnitt vergleichbar, so daß die Hysterese- und Reibungsverluste angesichts der Betätigungskräfte minimal sind.

Der Führungsteii IS am oberen Ende des Ventiielements 11 läßt sich als ein Schneidenlager betrachten, das gegenüber in dem Kraftstoff enthaltenen Schmutzteilchen und sonstigen Verunreinigungen sehr unempfindlieh ist. Daher wird die Führungsfunktion des Führungsteils 18 in der Bohrung 19 durch das Vorhandensein von Schmutzteilchen oder sonstigen Verunreinigungen nicht beeinträchtigt, die in dem Kraftstoff enthalten und durch das am Einlaß 3 vorhandene Sieb 27 hindurchgetreten sind.

Da das Verhältnis der Strecke L zu der Berührungslänge //des zylindrischen Teils 15 zwischen etwa 10:1 (Ventil geschlossen) und 40:1 (Ventil vollständig geöffnet) variiert, tritt keine Verklemmung auf, sofern das Spiel in Durchmesserrichtung des Führungsteils 18 nicht mehr als etwa das Zehnfache des Spiels in Durchmesserrichtung des zylindrischen Teils 15 beträgt.

Allgemein ist diese Bedingung erfüllt, wenn das Verhältnis des Spiels des Führungsteils 18 zum Spiel des zylindrischen Teils 15 kleiner ist als L/H.

Wenn der an dem Einlaß 3 herrschende, abwärts auf die Fläche des von der zylindrischen Bohrung 9 gebildeten Sitzes wirkende Kraftstoffdruck so stark zunimmt, daß er die durch die Feder 25 ausgeübte Vorbelastung überwindet, bewegt sich das Ventilelement 11 abwärts, so daß ein zunehmend größerer Durchlaßquerschnitt der Dosiernut 16 aufgesteuert wird, wie dies der gewünschten Druckabfall-Strömungsmengen-Kennlinie entspricht. Wenn sich das Ventilelement 11 abwärtsbewegt, strömt der Kraftstoff um die Feder 25 herum und durch Löcher 28 in dem Führungskörper 8 sowie durch die Feder 25 hindurch und durch die Zwischenräume zwischen den Abflachungen 20 und der Bohrung 19 und durch den den Ventilschaft 17 umgebenden Ringraum. Bei abnehmendem Kraftstoffdruck im Einlaß 3 nimmt der Durchlaßquerschnitt der Dosiernut 16 ab. Wenn der Eintrittsdruck unter den der Vorbelastung der Feder 25 entsprechenden Wert sinkt, greift der Ventilteller 12 an dem von der zylindrischen Bohrung 9 gebildeten Ventilsitz an, so daß das Dosierventil 1 geschlossen ist.

Zweckmäßigerweise dient das beschriebene und gezeigte Dosierventil zur Kraftstoffdosierung bei Kraftstoffeinspritzdü-;en von Gasturbinen-Triebwerken. Infolge der großen Abmessungen des Ventiltellers 12 lassen sich übereinstimmend ausgebildete Dosiernuten 16 vorsehen. Da die Reibung infolge der Ausbildung der Führungen gering ist, sind die Hystereseverluste und die Eichungsunterschiede minimal.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Dosierventil, insbesondere für Kraftstoffeinspritzdüsen, mit einem Ventilteller, der relativ zu dem den Ventilsitz begrenzenden Durchflußkanal beweglich ist, mit einem mit dem Ventilteller verbundenen Ventilschaft, der in einer Bohrung axialverschieblich geführt ist, und mit einer den Ventilschaft umgebenden Feder, die sich einerseits auf einen mit dem Ventilschaft verbundenen Federteller und andererseits auf ein gehäusefestes Widerlager abstützt und den Ventilteller in Richtung auf seine Schließstellung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (12) einen zylindrischen Teil (15) aufweist, der an seinem Rand mit mindestens einer axial verlaufenden Dosiernut (16) versehen ist, eine geringe axiale Länge aufweist und in einer entsprechenden zylindrischen Bohrung (9), die einen Teil des Durchflußkanals" darstellt, geführt ist, daß der Ventilschaft (17) in der Bohrung (19), die im axialen Abstand von der den zylindrischen Teil (15) des Ventiltellers (12) aufnehmenden Bohrung (9) angeordnet ist, mit einem wesentlich größeren Spiel als der mit geringer Toleranz in seine Bohrung (9) eingepaßte zylindrische Teil (15) des Ventiltellers (12) in dieser geführt ist, und daß der zylindrische Teil (15) des Ventiltellers (12) einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als der Ventilschaft (17).

2. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umfangsbreite und/oder radiale Tiefe über die axiale Länge der axial verlaufenden Dosiernut (16) ändert.

3. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (17) an seinem oberen Führungsteil (18) im Bereich der zugeordneten Bohrung (19) im Querschnitt unrund ist.

4. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (H) des die Bohrung (9) bildenden Rohrstückes (10) und des Ventiltellers kurz ist relativ zu dem Axialabstand zwischen den Bohrungen (9,19) und zwischen dem Ventilteller (12) und dem Ventilschaft (17).

5. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn- « zeichnet, daß der Ventilteller (12) stromabwärts von dem von der Bohrung (9) gebildeten Ventilsitz kegelstumpfförmig erweitert ist.

6. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gehäusefeste Widerlager für die Feder (25) eine Schulter (26) ist.