DE3002361A1

DE3002361A1 - Steuerventil

Info

Publication number: DE3002361A1
Application number: DE19803002361
Authority: DE
Inventors: Peter Frank Scott
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1980-01-23
Publication date: 1980-07-31
Also published as: JPS55100490A; IT1130223B; JPS6234998B2; FR2447507B1; DE3002361C2; IT8019458A0; FR2447507A1

Description

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Beschreibungseinleitung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil für ein strömendes Medium insbesondere auf ein Ventil zur Steuerung des Kraftstoff-Flusses bei flüssigem Kraftstoff und hohem Druck. Das bei der Erfindung vorausgesetzte Ventil weist in einer Bohrung ein axial verstellbares Ventilglied auf, einen zwischen den Bohrungsenden angeordneten Ventilsitz, je eine Kammer zu beiden Seiten des Sitzes und einen Kopf des Ventilgliedes zum Zusammenwirken mit dem Ventilsitz. Während des Betriebes ist eine der beiden Kammern mit einer Hochdruckquelle verbunden, während die andere Kammer mit einer Drainage verbunden ist. Zum Zusammenwirken mit dem Sitz ist der Kopf des Ventilgliedes kegelförmig in der Weise, daß die kegelförmige Verjüngung sich zu der einen Kammer hin erstreckt.

Um die zur Betätigung des Ventiles notwendigen Kräfte klein zu halten, ist es bekannt, für das Ventilglied einen Druckausgleich vorzusehen. Das wird dadurch erhalten, daß dem Ventilglied Flächen zugeordnet werden, die den Drücken in der jeweiligen Kammer ausgesetzt sind» Der auf die eine Fläche wirkende Druck der einen Kammer erzeugt eine auf das Ventilglied wirkende Kraft, die der Kraft entgegengerichtet ist, die vom Druck in der einen Kammer erzeugt wird, der gegen den Kopf wirkt. In entsprechender Weise ist der in der anderen

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Kammer wirkende und auf den Kopf einwirkende Druck durch den Druck in der anderen Kammer ausgeglichen, der auf die andere Fläche wirkt. Sind die genannten Flächen gleich den Flächen des Ventilkopfes, dann ist in der Schließstellung des Ventilgliedes das Ventilglied druckausgeglichen, und es sind keine oder nur geringe Kräfte notwendig, um das Ventilglied in seine Öffnungsstellung zu bringen.

Wird ein solches Ventil in seine Öffnungsstellung gebracht, so erweist es sich als Nachteil, daß die auf das Ventilglied wirkenden Kräfte nicht länger ausgeglichen sind und die Tendenz zur Ausbildung einer resultierenden Kraft besteht, die das Ventilglied in die Schließstellung zu bewegen sucht. Der fehlende Kräfteausgleich ist auf den Druckabfall in dem Strömungsweg zwischen Ventilkopf und Sitz zurückzuführen. Eine Kompensation könnte in der Öffnungsstellung des Ventiles durch Vergrößerung des Bereiches des Ventilkopfes oder Verringerung der Größe der Fläche erreicht werden, die dem Druck in der einen der beiden Kammern ausgesetzt ist.. Das würde jedoch bedeuten, daß in der Schließstellung die auf das Ventilglied wirkenden Drücke nicht ausgeglichen wären und erhebliche Kräfte aufgewendet werden müßten, um das Ventilglied in der Schließstellung zu halten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil zum Steuern eines strömenden Mediums zu entwickeln, das ein solches Ventil mit den Merkmalen der

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eingangs genannten Gattung unter Berücksichtigung des genannten Problemes in einfacher aber wirkungsvoller Weise verbessert.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe weist ein Steuerventil der eingangs genannten Gattung ein Flächenpaar des Ventilgliedes auf, die zu beiden Seiten des Ventilkopfes angeordnet sind und dem Druck in der jeweiligen der beiden Kammern ausgesetzt sind, um auf das Ventilglied Kräfte zu erzeugen, die den auf den Ventilkopf wirkenden Kräften aus den Drücken in den Kammern entgegenwirken, wobei die eine, dem Druck in der einen Kammer ausgesetzte Fläche im wesentlichen flächengleich dem Flächenteil des Ventilkopfes ist, der dem Druck in dieser Kammer ausgesetzt ist, währed die andere, dem Druck in der anderen Kammer ausgesetzte Fläche größer ist als der Flächenteil des Ventilkopfes, der dem Druck in dieser anderen Kammer ausgesetzt ist, wobei schließlich die Abströmung des Fluids aus der anderen Kammer gedrosselt ist»

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben; in der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt durch ein Ventil in bekannter Ausführung,

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Fig. 2 in einer Grafik für ein Ventil gemäß Fig. 1 den Ventilhub über der Zeit aufgetragen und

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Ventil.

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Figurenbeschreibung

In Fig. 1 ist das Steuerventil in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Es weist ein Ventilglied 11 auf, das verstellbar in der Bohrung 12 des Ventilgehäuses 13 angeordnet ist» Die zylindrische Bohrung ist zwischen ihren beiden Enden mit einem Sitz 14 versehen. Zu beiden Seiten des Ventilsitzes 14 ist die Bohrung 12 zu je einer Kammer 15 bzw. 16 ausgebildet. Die Kammer 15 ist über einen Strömungskanal 17 mit der Pumpkammer einer Kraftstoffeinspritzpumpe 18 verbunden. Die Kammer 16 ist über den Kanal 19 mit einer Drainage verbunden. Die Einspritzpumpe ist mit einem Auslaß 20 versehen, der während des Betriebes mit einer Kraftstoffeinspritzdüse einer Brennkraftmaschine verbunden ist, der die Einspritzpumpe zugeordnet ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß während des Fördertaktes der Einspritzpumpe 18 der zugehörigen Brennkraftmaschine Kraftstoff durch den Auslaß 20 zugeführt wird, wenn sich das Ventil in der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung befindet. Ist während der Kraftstoff-Förderung das Ventil geöffnet, so findet ein Kraftstoff-Fluß zwischen den Kanälen 17 und 19 statt, und durch den Auslaß 20 wird kein Kraftstoff gefördert.

Das Ventilglied 11 hat eine im wesentlichen zylindrische Kontur, deren beiden Endteile 21,22 den gleichen Durchmesser

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haben. Zwischen den beiden Endteilen ist ein Ventilkopf 23 vorgesehen, der zum Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 14 bestimmt ist und hierzu konisch ist, wobei der Querschnitt mit zunehmendem Abstand von der Kammer 15 größer wird. An den gegenüberliegenden Seiten des Ventilkopfes hat das Ventilglied einen geringeren Durchmesser, wobei die Abschnitte mit kleinerem Durchmesser sich innerhalb der Kammern .15,16 befinden.

Der Durchmesser D1 des Endabschnittes 21 ist gleich dem Durchmesser D3 des Endabschnittes 22 und gleich dem Durchmesser D2 des Ventilsitzes 14. Bei geschlossenem Ventil ist der Ventilkopfbereich, dem dem Druck in der Kammer 15 ausgesetzt ist, im wesentlichen gleich dem Ringbereich des Abschnittes 21, der dem Druck in der Kammer 15 ausgesetzt ist. Daraus resultiert, daß die Kräfte, die auf das Ventilglied einwirken, infolge des Druckes in der Kammer 15 im wesentlichen ausgeglichen sind. In ähnlicher Weise wirkt der Druck in der Kammer 19 gegen die ringförmige Endfläche des Abschnittes 22 des Ventilgliedes, die im wesentlichen gleich dem entsprechenden wirksamen Bereich des Ventilkopfes ist. Auf diese Weise sind die auf das Ventilglied wirkenden Drücke ausgeglichen, und es ist allenfalls eine geringe Kraft erforderlich, um den Ventilkopf am Ventilsitz in Anlage zu halten, oder den Ventilkopf vom Ventilsitz abheben zu können, wenn das zum öffnen des Ventiles notwendig ist.

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Gemäß Pig. 1 ist eine gewickelte Druckfeder 24 vorgesehen, um das öffnen des Ventiles zu bewirken, während eine elektromagnetische Vorrichtung 25 vorgesehen ist, die im erregten Zustand das Ventil schließt=

Das Diagramm der Fig» 2 zeigt das Abheben des Ventilkopfes vom Ventilsitz über der Zeit» Der obere Linienzug stellt das Ventilglied in der Schließstellung dar, während der untere Linienzug die Stellung des Ventilgliedes bei geöffnetem Ventil darstellt, wobei die horizontale Achse die Zeit darstellt ο Es zeigt sich, daß man ein ziemlich rasches Aufsitzen des Ventilkopfes 23 auf dem Sitz 14 zum Schließen des Ventiles erhält, daß jedoch bei entregter elektromagnetischer Vorrichtung 25 und wenn die Feder 24 das Ventil zu öffnen sucht, zwar am Anfang die Öffnungsrate des Ventiles für eine kurze Zeit ziemlich groß ist, dann jedoch das Ventilglied die Tendenz hat, sich in Richtung auf die Schließstellung zu bewegen, worauf dann wieder die Bewegung des Ventilgliedes gegen die Öffnungsstellung erfolgt«, Der Druck des von der Einspritzpumpe in der Vorrichtung, für die das Ventil entworfen wurde, ge=

2 förderten Kraftstoffes liegt im Bereich von 21=1 kg/mm «, Hebt das Ventilglied von seinem Sitz ab, so ergibt sich ein Druckabfall über die Länge des Strömungsweges zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilsitz mit dem Ergebnis, daß, während der Druck in der Kammer 15 noch auf die ringförmige Endfläche

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des Abschnittes 21 des Ventilgliedes wirkt, der auf den Ventilkopf wirkende Druck verringert wird. Hierdurch neigt das Ventilglied dazu, sich in Richtung auf eine Stellung zu bewegen, in der die nicht ausgeglichene Kraft auf das Ventilglied durch die Kraft der Feder ausgeglichen wird. Das Ventilglied verringert deshalb den Kraftstoff-Fluß von der Einspritzpumpe.

Ist, wie bereits erläutert, der wirksame Durchmesser des Endabschnittes 21 des Ventilgliedes reduziert, um dem oben beschriebenen Effekt entgegenzuwirken, dann sind die auf das Ventilglied wirkenden Drücke in der Schließstellung nicht ausgeglichen, und von der elektromagnetischen Vorrichtung muß eine Kraft aufgebracht werden, die ausreicht, das Ventilglied in der Schließstellung zu halten.

Dieser Nachteil kann nun dadurch vermieden werden, daß der Durchmesser des Abschnittes 22 des Ventilgliedes vergrößert und in dem Strömungskanal 19 eine Verengung 26 vorgesehen wird. Dadurch wird in der Schließstellung des Ventiles jeder Druck in der Kammer 16 zu nicht ausgeglichenen Kräften auf das Ventilglied führen. Der Druck in der Kammer 16 ist jedoch sehr klein im Verhältnis zum Druck in der Kammer 15, und die nicht ausgeglichene Kraft kann vernachlässigt werden. Wird das Ventilglied in die öffnungsstellung bewegt, so steigt der

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Druck in der Kammer 16 jedoch an, und der infolge des Unterschiedes zwischen den Durchmessern D2 und D4 herrschende, auf das Ventilglied wirkende Differenzdruck wirkt der Tendenz des Ventilgliedes entgegen, sich in die Schließstellung zu bewegen. Der Druckanstieg in der Kammer 16 wird durch die Verengung 26 im Strömungskanal 19 erleichtert. Dadurch folgt die öffnung des Ventilgliedes dem unterbrochenen Linienzug der Fig. 2. Die Bemessung der Verengung 26 muß so gewählt werden, daß keine unzulässige Behinderung des Kraftstoff-Flusses erfolgt. Statt in dem Strömungskanal 19 kann der Durchmesser des gesamten Strömungskanales so gewählt werden, daß das benötigte Ausmaß der Drosselung bzw. Verzögerung der Strömung erreicht wird.

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Claims

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Anmelder; LUCAS INDUSTRIES LIMITED, Great King Street/ Birmingham„ B19 2XF, England

Titel; Steuerventil

Patentansprüche

1. Steuerventil zur Steuerung der Strömung eines Fluids bei hohen Drücken mit einem axial verstellbaren Ventilglied in einer Bohrung, zwischen deren Enden ein Ventilsitz definiert ist, zu dessen beiden Seiten die Bohrung je eine Kammer bildet und mit dem ein Kopf des Ventilgliedes zusammenwirkt, wobei eine der beiden Kammern in der Betriebsstellung mit einer Hochdruckquelle des Fluids und die andere mit einer Drainage verbunden ist und wobei der Ventilkopf zum Zusammenwirken mit dem Sitz eine Kegelfläche auf v/eist, die sich zur einen Kammer hin verjüngt, gekennzeichnet durch ein Flächenpaar des Ventilgliedes (11) zu beiden Seiten des Ventilkopfes (23), die den Drücken in den beiden Kammern (15,16) ausgesetzt sind, um Kräfte auf das Ventilglied auszuüben, die den Drücken in den Kammern (15,16) entgegenwirken, wobei die eine, dem Druck in der einen Kammer (15) ausgesetzte Fläche in etwa flächengleich ist dem Flächenbereich des Ventilkopfes, der dem Druck in dieser Kammer

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ausgesetzt ist, während der dem Druck in der anderen Kammer (16) ausgesetzte Bereich der anderen Fläche größer als der Flächenbereich des Ventilkopfes ist, der dem Druck in dieser anderen Kammer ausgesetzt ist, wobei schließlich die Strömungsrate des Fluids aus der anderen Kammer (16) gedrosselt ist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung durch eine Verengung (26) im Abströmkanal (19) der anderen Kammer (16) bewirkt wird.

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