DE2424242A1

DE2424242A1 - Steuerventil

Info

Publication number: DE2424242A1
Application number: DE2424242A
Authority: DE
Inventors: Frank E Obermaier; Arthur Anthony Scott
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-18
Publication date: 1974-12-12
Also published as: US3887159A; FR2230916B3; AU6877774A; JPS5031436A; ES426473A1; CA1031308A; IT1012656B; FR2230916A1; BR7404160D0

Description

Patentanwälte Dipl.- ing. W. Scherrmann Dr.- Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348

17. Mai 1974 Telefon

Stuttgart (0711) 356539

PA 115 rüha 35 9619

Telex 07256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Eaton Corporation, 100 Erieview Plaza. Cleveland,

Ohio 44114/USA

Steuerventil

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil mit einem eine Ventilkammer umschließenden Gehäuse, in das zwei getrennte Leitungsanschlüsse führen, von denen der erste mit einem ersten Ventilkammerteil und der zweite mit einem zweiten Ventilkammerteil in Verbindung steht, wobei die beiden Ventilkammerteile in einem ersten abgesperrten Zustand des Ventiles durch eine Ventileinrichtung gegeneinander abgesperrt und in einem zweiten betätigten Zustand des Ventiles miteinander verbunden sind. "

Die Erfindung ist insbesondere auf ein mit zwei Leitungsanschlüssen versehenes temperaturabhängig betätigtes Ventil anwendbar, das die Unterdruckregelung bei der Betätigung einer Abgasregelungsanlage für Kraftfahrzeuge übernimmt; sie wird deshalb im Zusammenhang hiermit beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung an sich ein breiteres Anwendungsgebiet hat und grundsätzlich auf alle Arten von Steuerventilen angewandt werden kann/ die durch eine auf einen bestimmten Zustand ansprechene Einrichtung betätigbar sind,um Unterdruck oder Druck für eine druckbetätigte Vorrichtung zu steuern.

409850/0823

Ventilsitze solcher Ventile wurden in der Regel bisher aus Aluminium hergestellt und durch eine Stahlkugel abgedichtet, die gegen eine zentrische Öffnung des Ventilsitzes gepresst ist. Der Ventilsitz war im Presssitz in die Ventilkammer eingefügt, wobei häufig zwischen den metallischen Sitzflächen eine Leckage auftrat, wenn der Ventilsitz sich verzog oder beim Einbau verspannt wurde. Um dieser Gefahr des Undichtwerdens des Ventilsitzes zu begegnen,wurde auf den metallischen Ventilsitzkörper ein elastischerVentilsitz aufgebracht, wobei dann der Ventilsitzkörper so in die Ventilkammer im Pressitz eingefügt wurde. Mit dieser Anordnung wurde zwar zunächst das Undichtwerden verhütet, doch findet mit der Zeit ein Nachgeben oder Schwinden des elastischen Materials statt, womit dann wiederum eine Leckage von dem einen Teil der Ventilkammer in einen anderen auftritt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil mit einem elastischen Ventilsitz zu schaffen, bei dem der Ventilsitz selbstv^nachstellend ist, so daß stets eine positive Abdichtung gewährleistet ist, auch wenn das elastische Material des Ventilsitzes im Verlauf der Benutzung einem bleibenden Schwund unterworfen sein sollte. Trotz dieser Eigenschaft soll aber das Steuerventil mit seinen zugeordneten Teilen eine einfache Konstruktion ermöglichen, die eine gegenüber bekannten vergleichbaren Ventilen verkürzte Montagezeit ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Steuerventil erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung einen mit einer zentrischen Durchgangsöffnung versehenen elastischen Ventilsitz aufweist, der auf einem Trägerelement aufliegt, durch das der Sitz

409850/0823 " ³ "

unter der Wirkung einer auf das Trägerelement einwirkenden ersten Vorspannkraft gegen die beiden Ventilkammerteile abdichtend verspannbar ist und daß auf der Durchgangsöffnung des Ventilsitzes normalerweise ein kugelartiges Ventilglied aufliegt, das durch eine zweite Vorspannkraft abdichtend gegen den Ventilsitz gepresst ist und das durch zugeordnete Betätigungmittel unter Herstellung einer Verbindung zwischen den beiden Ventilkammer teilen von dem Ventilsitz abhebbär ist.

Bei dem neuen Steuerventil ist die Ventilkammer in einer bevorzugsten Ausführungsform mit einer Ringschulter versehen, durch die die beiden Ventilkammerteile voneinander getrennt sind. Der Ventilsitz ist in Gestalt einer elastischen Ringscheibe ausgebildet, die auf einem speziell geformten Trägerelement angeordnet ist. Der elastische Ventilsitz liegt an der Ringschulter an; er wird durch eine in dem ersten Ventilkammerteil liegende Feder dauernd abdichtend gegen die Ringschulter angepresst, wobei diese Feder auf das Tragerelement eine Vorspannkraft ausübt.Der Druck reicht aus, um den Ventilsitz auch dann gegen die Ringschulter abzudichten, wenn der Ventilsitz im Verlaufe der Zeit einen bleibenden schwund erleidet. Die Ventilsteuerung geschieht durch das kugelartige Ventilglied, das in der mittigen öffnung des elastischen Ventilsitzes sitzt und normalerweise durch eine in dem zweiten Ventilkammerteil angeordnete zweite Feder abdichtend gegen den Ventilsitz gedrückt ist.

Das Trägerelement des elastischen Ventilsitzes ist mit Vorzug derart ausgebildet, daß es in das Ventilgehäuse verschieblich eingefügt ist. Ausserdem ist das Trägerelement derart geformt, daß es die elastischeren Ventilsitz bildende Ringscheibe vor dem Einsetzen in das

409850/0823

- 4 -'
Ventilgehäuse haltert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Steuerventil gemäß der Erfindung mit zwei Leitungsanschlüssen in einer Seitenansicht und

Fig. 2 das Steuerventil nach Fig. 1 geschnitten längs der Linie 2-2 der Fig. 1 in einer Seitenansicht und in einem anderen Maßstab.

Das i-ft der Zeichnung dargestellte Steuerventil dient lediglich zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausfuhr ungs form der Erfindung, die nicht als Beschränkung der Erfindung zu verstehen ist. In den Fig. 1 und ist ein Unterdrucksteuerventil 10 veranschaulicht, das ein Ventilgehäuse 12 mit einem an seinem unteren Ende vorgesehenen radialen Flansch 13 aufweist, dessen Flansch 13 mit einer ringsumlaufenden Ausnehmung versehen ist, in der ein Dichtring 14 sitzt. Der Dichtring 14 ist abdichtend gegen eine ebene obere Fläche 16 eines mit einem Gewinde versehenen KupplungsStückes 18 angedrückt. Das Kupplungsstück 18 ist mit dem Flansch verbördelt oder in anderer Weise an diesem befestigt, so daß sich eine luftdichte Verbindung zwischen dem Flansch und dem Kupplungsstück 18 ergibt. Das Kupplungsstück 18 kann in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeschraubt werden, um damit ein temperaturempfindliches Element 20, das am unteren Ende des KupplungsStücks 18 angeordnet ist, in den Kühlwassermantel des im einzelnen nicht dargestellten Verbrennungsmotors einzuführen.

Das temperaturempfindliche Element 20 ist in der dargestellten Ausführungsform ein feststoffgefülltes, die

409850/0823

Stellkraft lieferndes temperaturempfindliches Element. Das temperaturempfindliche Element 20 weist ein Gehäuse auf, in dem ein schmelzbares, unter Temperatureinwirkung sich ausdehnendes Material enthalten ist, wie etwa Wachs oder eine Wachsmischung, in einem wärmeleitenden Pulvermetall mit oder ohne Bindemittel. Dieses Material erfährt in der Schmelzzone eine Ausdehnung, die in einem Temperaturbereich stattfindet, der für die Betätigung des Ventiles gewählt ist. Dies ist an sich bekannt und braucht deshalb im einzelnen nicht beschrieben zu werden. Das Gehäuse 21 ist mit einem von seiner oberen Wand radial nach aussen ragenden Flansch 22 versehen, der an einer elastischen Membrane 23 anliegt. Der Flansch 22 und die Membrane 23 sind durch Umbördeln eines axial vorstehenden ringförmigen Teiles des Kupplungsstückes 18 über den Flansch 22 abdichtend an dem Kupplungsstück 18 befestigt. In einer Bohrung 25 des Kupplungsstückes 18 ist ein Kolben 24 verschieblich geführt,der im Abstand von einem vorschiebbaren Betätigungsglied 27 endet, das über ein Abstandsstück 29 längs der Bohrung 25 verschieblich ist. ι

Das Ventilgehäuse 12 begrenzt mit der ebenen oberen Fläche 16 des Kupplungsstückes 18 eine geschlossene Ventilkammer» in der eine im Abstand von der Innenwand stehende Schulter 30 angeordnet ist, durch die ein erster und ein zweiter zylindrischer Ventilkammerteil bzw. 32 definiert wird, von denen der eine auf der einen Seite und der andere auf der anderen Seite der Schulter 30 liegt. Die Schulter 30 ist genau gesehen eine innen liegende ringförmige Wulst in dem Ventilgehäuse 12, die mit einem Scheitel 35 versehen ist, welcher eine Trennlinie bildet, durch die der erste Ventilkammerteil -31 von dem zweiten Ventilkammer teil 32 getrennt ist. Mit dem ersten Ventilkammerteil 31 steht eine Einlassleitung 37 in Verbindung, während in dem zweiten Ventil-

409850/0823 " ⁶ "

kammerteil 32 eine Auslassleitung 38 mündet (Fig. 1).

In dem ersten Ventilkammerteil 31 ist ein Stössel 40 angeordnet, der ein zylindrisches Oberteil 42 und ein sich radial erweiterndes flanschartiges Unterteil aufweist, welches längs seines Aussenumfanges bei 44 unter Ausbildung eines FederSitzes zurückgesetzt ist. Eine Sockelfläche 45 an dem Unterteil 43 des Stössels ist eben ausgebildet, so daß sie mit dem vorschiebbaren Betätigungsglied 27 zusammenwirken und gemeinsam mit diesem sich bewegen kann.

Das Oberteil 42 des Stössels 40 ist in einer Bohrung linear verschieblich geführt, die in einem zylindrischen Unterteil 49 eines Trägerelementes 50 für eine elastische Scheibe ausgebildet ist. Das Trägerelement weist einen ringförmigen flanschartigen Auflageteil auf, der oben an dem Unterteil 49 nach aussen ragt und eine öffnung aufweist, die mit der in dem Unterteil 49 ausgebildeten Bohrung 48 in Verbindung steht. Der flanschartige Auflageteil 52 trägt eine im wesentlichen ebene,radial sich erstreckende obere Fläche 53 und eine im wesentlichen ebene,ebenso radial sich erstreckende untere Fläche, welche eine Schulter 54 an dem unteren Teil 49 ausbildet. Am Aussenrand der oberen Fläche 53 ragt eine ringförmige Wulst 55 nach oben, die über die obere Fläche 53 nach innen geneigt ist und damit eine kegelstumpfförmige Fläche bildet.

Auf der oberen Fläche 53 liegt ein Ventilsitz 58 in Gestalt^ einer elastischen Ringscheibe von etwa der gleichen Größe wie die obere Fläche 53 des Auflageteiles 52; sie ist durch den nach innen geneigten Wulst 55 auf dem Trägerelement 50 fixiert. Ausserdem ist die obere Fläche 53 bei 56 an der Verbindungsstelle der Wulst 55 hinter-

- 7 409850/0823

stochen, so daß der Ventilsitz 58 vor dem Zusammenbau des Ventiles in einfacher Weise auf das Trägerelement 50 aufgesetzt werden kann. Da der Wulstdurchmesser ausser an der Trennlinie des Wulstes und der oberen Fläche 52 kleiner ist als der Durchmesser des Ventilsitzes 58,bildet die Hinterschneidung bei 56 einen
zusätzlichen Flächenbereich, so daß ein Teil des
Aussehumfanges des Ventilsitzes 58 durch geeignete
Mittel in diese Hinterschneidung eingedrückt werden
kann, um damit einen einfachen Zusammenbau des Ventilsitzes 58 und des Trägerelementes 5o zu gewährleisten.

Der Ventilsitz 58 wird durch eine Rückholfeder 60 des temperaturempfindlichen Elementes in dem Ventilgehäuse 12 abdichtend gegen die innenliegende Schulter 30 angedrückt. Die Rückholfeder 60 ist zwischen einer Schulterfläche 54 des Trägerelementes 50 und der Schulter 44
des Stössels 40 angeordnet. Die Vorspannung der Rückholfeder 60 ist derart gewählt, daß der Ventilsitz 58 auch dann abdichtend an der Schulter 30 in Anlage gehalten wird, falls das elastische Material des Ventilsitzes eine dauernde Veränderung erleiden sollte.

In dem zweiten Ventilkammerteil 32 ist ein in Gestalt einer Stahlkugel ausgebildetes Ventilglied 63 angeordnet, das durch eine in dem zweiten Ventilkammerteil 32
angeordnete Ventilrückstellfeder 65 abdichtend an einer inneren Berandung 57 der Ventilsitzbohrung 59 in Anlage gehalten ist. In dieser unbetätigten Stellung des
Ventiles 1O befindet sich das temperaturempfindliche
Element 20 in einer zurückgezogenen Stellung, während der erste Ventilkammerteil 31 von dem zweiten Ventilkammerteil 32 abgedichtet ist. Wenn das temperaturempfindliche Element bei einer vorbestimmten Temperatur

409850/0823

betätigt wird, bewegt das vorschiebbare Betätigungsglied 27 den Stössel 40 in der Bohrung 48 des Trägerelementes 50, bis das Ventilglied 63 von dem Ventilglied 58 abgehoben und damit eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilkammerteil 31 bzw. 32 hergestellt wird.

Das so beschriebene Ventil 10 ist insbesondere zur Verwendung als temperatürgesteuertes Verriegelungsglied in einer Abgasregelanlage für Kraftfahrzeuge geeignet. Im einzelnen würde hierbei eine von dem Vergaser kalibriert abgezweigte variable Unterdruckquelle an die Einlassleitung 37 angeschlossen sein, wobei die Verbindung dieser Vakuumquelle mit der Auslassleitung solange abgesperrt wäre, bis eine vorbestimmte Temperatur erreicht wird. Die Auslassleitung 38 wäre ihrerseits an ein unterdruckgesteuertes Ventil angeschlossen, welches Stickoxidkomponenten der Abgase in den Vergaser des Verbrennungsmotors einleitet. Eine genaue Beschreibung einer solchen Anlage ist Gegenstand einer älteren Patentanmeldung P 24 00 450.0 der Anmelderin. Das darin beschriebene Ventil ist ein Vierwegeventil, das zwei unterschiedliche Unterdruckfunktionen steuert; zwei erfindungsgemäße Ventile 10 können anstelle des dort beschriebenen ,vier Anschlüsse aufweisenden Ventiles mit dem gleichen Ergebnis benutzt werden.

Das temperaturempfindliche Element 20, welches den Stössel 40 betätigt, ist eine einen Zustand fühlende Vorrichtung, die ihrerseits auch durch andere Betätigung smittel ersetzt werden könnte, die beim Auftreten eines vorbestimmten Zustandes ansprechen, wie dies beispielsweise bei einem Solenoiden der Fall ist. Wenn auch im vorstehenden ein zwei Anschlüsse aufweisendes Ventil veranschaulicht worden ist, so ist die Erfindung doch

409850/0823

auch auf Ventile mit mehreren Anschlüssen anwendbar. So könnte ein zweiter elastischer Ventilsitz mit zugehörigem Ventilglied in der erfindungsgemäßen Weise leicht in das dargestellte, zwei Anschlüsse aufweisende Ventil eingebaut werden, um damit ein mit drei Anschlüssen versehene.s Ventil zu schaffen. Das in der üs-PS 3 400 beschriebene Ventil, das lediglich mit einem Ventilsitz arbeitet, könnte in entsprechender Weise ohne weiteres so abgewandelt werden, daß es die erfindungsgemäße Ventilsitzanordnung enthält.

Es ergibt sich somit, daß das neue Ventil mit der neuartigen Ventilsitzanordnung im Rahmen der Erfindung eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen fähig ist, die in den Rahmen der Erfindung fallen.

Ziel der Erfindung ist es, einen elastischen Ventilsitz in einem Steuerventil vorzusehen, der die Abdichtung der Ventilkammer im abgesperrten Ventilzustand auch dann aufrechterhält,, wenn, das Ventil einer sehr umfangreichen und wiederholten Benutzung unterworfen ist.

- 10 -

409850/0823

Claims

Patentansprüche

Π .J Steuerventil mit einem eine Ventilkammer umschließenden Ventilgehäuse, in das zwei getrennte Leitungsanschlüsse führen, von denen der erste mit einem ersten Ventilkammerteil und der zweite mit einem zweiten Ventilkammerteil in 'Verbindung steht, wobei die beiden Ventilkammerteile in einem ersten abgesperrten Zustand des Ventiles durch eine Ventileinrichtung gegeneinander abgesperrt und in einem zweiten betätigten Zustand des Ventiles miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung einen mit einer zentrischen Durchgangsöffnung (59) versehenen elastischen Ventilsitz (58) aufweist, der auf einem Trägerelement (50) aufliegt, durch das der Sitz (58) unter der Wirkung einer auf das Trägerelement (50) einwirkenden ersten Vorspannkraft gegen die beiden Ventilkammerteile (31,32) abdichtend verspannbar ist und daß auf der Durchgangsöffnung (59) des Ventilsitzes (58) normalerweise ein kugelartiges Ventilglied (63) aufliegt, das durch eine zweite Vorspannkraft abdichtend gegen den Ventilsitz (58) gepresst ist und das durch zugeordnete Betätigungsmittel (40,27,20) unter Herstellung einer Verbindung zwischen den beiden Ventilkammerteilen (31 ,32) von dem Ventilsitz (58) abhebbar ist.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ventilgehäuse eine die Ventilkammer in den ersten und den zweiten Ventilkammerteil (31 bzw. 32) unterteilende innen liegende ringsumlaufende Schulter (30) angeordnet ist, zu deren beiden Seiten jeweils einer der beiden Ventilkammerteile (31,32) liegt und gegen die der als elastische Ringscheibe ausgebildete Ven-

409850/0823

- 11 -

tilsitz (58) angepresst ist und daß die erste Vorspannkraft durch eine in dem ersten Ventilkammerteil (31) liegende Feder (60) erzeugt ist, durch welche der Ventilsitz (58) abdichtend gegen die Schulter (30) verspannt ist.
3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch .gekennzeichnet, daß die Schulter (30) in Gestalt eines Ringwulstes ausgebildet ist, dessen Scheitel eine Trennlinie zwischen den beiden Ventilkammerteilen (31,32) bildet und daß das Trägerelement (50) für den Ventilsitz (58) einen etwa der Größe des Ventilsitzes (58) entsprechenden ringförmigen Auflageteil (52) aufweist, längs dessen Umfang ein Wulst (55) vorragt, der über den Auflageteil (52) schräg nach innen geneigt ist und durch den der Ventilsitz (58) fixiert ist.
4. Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (50) einen von dem Auflageteil (52) nach unten ragenden zylindrischen Teil

(49) aufweist, in dem eine mit einer Öffnung des Auflageteils in Verbindung stehende Axialbohrung (48) ausgebildet ist, in welcher ein zylindrischer Teil (42) eines Stössels (40) verschieblich geführt ist, der unten an den zylindrischen Teil anschließend einen flanschartig sich erweiternden Sockelteil (43) aufweist, auf dem eine Ringschulter (44) ausgebildet ist, und daß zwischen der Ringschulter (44) des Stössels (40) und einer der Auflagefläche des Ventilsitzes (58) gegenüberliegender Seite des ringförmigen Auflageteils (52) des Trägerelementes (50) die erste Feder (60) vorgespannt eingefügt ist»

- 12 -

4 09850/0823
5. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (5O) in dem ersten Ventilkammerteil (31) verschieblich geführt ist.
6. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Ventilkammerteil (32) eine zweite Feder (65) angeordnet ist, durch die das Ventilglied (63) normalerweise abdichtend gegen den Ventilsitz (58) angepresst ist und daß die Betätigungsmittel in Abhängigkeit vom Auftreten eines vorbestimmten Zustandes betätigbar sind.
7. Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel ein temperaturempfindliches, die Stellkraft erzeugendes Element (20) aufweisen.
8. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (50)' eine ringförmige Auflagefläche (53) für den Ventilsitz (58) aufweist.
9. Steuerventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die ringförmige Auflagefläche (53) das Trägerelement (50) unter Ausbildung einer ringförmigen Vertiefung (56) hinterstochen ist.

409850/0823