DE3002361C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil zur Steuerung eines Fluids bei hohen Drücken gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Um die zur Betätigung eines Ventiles notwendigen Kräfte klein zu halten, ist es bekannt, für das Ventilglied einen Druckausgleich vorzusehen. Das wird bei bekannten Ventilen dadurch erhalten, daß dem Ventilglied Flächen zugeordnet sind, die den Drücken in der jeweiligen Kammer ausgesetzt sind. Der auf die eine Fläche wir­ kende 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 des Ventilgliedes wirkt. In entsprechender Weise ist der in der anderen Kammer wirkende und auf den Kopf des Ventilgliedes ein­ wirkende Druck durch den Druck in der anderen Kammer ausgegli­ chen, der auf die andere Fläche wirkt. Sind die genannten Flächen gleich den Flächen des Ventilgliedkopfes, dann ist in der Schließ­ stellung des Ventilgliedes das Ventilglied druckausgeglichen, und es sind keine oder nur geringe Kräfte notwendig, um das Ventil­ glied in seine Öffnungsstellung zu bringen.

Wird ein solches Ventil in seine Öffnungsstellung gebracht, so erweist es sich als Nachteil, daß die auf das Ventilglied wir­ kenden Kräfte nicht länger ausgeglichen sind und die Tendenz zur Ausbildung einer resultierenden Kraft besteht, die das Ventil­ glied in die Schließstellung zu bewegen sucht. Der fehlende Kräfteausgleich ist auf den Druckabfall in dem Strömungsweg zwischen Ventilgliedkopf und Ventilsitz zurückzuführen. Eine Kompensation könnte in der Öffnungsstellung des Ventiles durch Vergrößerung des Bereiches des Ventilgliedkopfes oder Verrin­ gerung der Größe der Fläche erreicht werden, die dem Druck in der einen der beiden Kammern ausgesetzt ist. Das würde jedoch bedeu­ ten, 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 gattungsgemäßes Steuerventil zur Steuerung eines Fluides bei hohen Drücken so auszubilden, daß ein rascher, häufiger Wechsel zwischen Öffnen und Schließen mit einer Charakteristik möglich ist, die das Steuerventil in besonderer Weise zum Einsatz als Steuerventil für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen geeignet macht. Die Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Kennzeichnungsteiles des Patent­ anspruches 1.

Beim erfindungsgemäßen Steuerventil werden in der Schließstellung aus dem Fluid resultierende Kräfte kompensiert, indem die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 definierte Flächen­ gleichheit vorliegt. Wird nun die Schließstellung durch einen Elektromagneten bewirkt, der zum Öffnen des Ventiles entregt wird, und erfolgt diese Entregung, um das Ventil zu öffnen, so kann dies mit einer schwachen Feder einer entsprechend kleinen elektromagnetischen Vorrichtung bewirkt werden, ohne daß das Ventilglied oszilliert. Es findet kein "Flattern" des Ventil­ gliedes statt, Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventiles können also in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgen.

Dieses Ergebnis liegt bei einem bekannten Steuerventil mit Merk­ malen gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 nicht vor (DE-AS 12 52 028). Bei diesem Steuerventil liegen vielmehr Ver­ hältnisse vor, wie sie sich aus der Fig. 2 für ein bekanntes Steuerventil gemäß der Fig. 1 ergeben. Auf­ grund der von den Flächenverhältnissen bei der Erfindung abwei­ chenden Flächenverhältnissen beim bekannten Steuerventil wirkt dort ein Fluiddruck derart, daß er die Schließkraft einer Feder unterstützt, so daß zum Öffnen des Ventiles eine Kraft aufge­ bracht werden muß, die die Kraft der Feder und den genannten Fluiddruck übersteigt. Es liegen also deutlich andere Kriterien als bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil vor.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Drosselung der Strömungsrate des Fluids aus der anderen der beiden Kammern durch eine Verengung im Abströmkanal dieser anderen Kammer bewirkt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher er­ läutert; in der Zeichnung zeigt

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

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

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Ventil.

In Fig. 1 ist ein bekanntes 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 Ein­ spritzpumpe ist mit einem Auslaß 20 versehen, der während des Betriebes mit einer Kraftstoffeinspritzdüse einer Brenn­ kraftmaschine verbunden ist, der die Einspritzpumpe zugeordnet ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß während des Fördertaktes der Einspritzpumpe 18 der zugehörigen Brennkraft­ maschine 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 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 Ventil­ glied einen geringeren Durchmesser, wobei die Abschnitte mit kleinerem Durchmesser sich innerhalb der Kammern 15, 16 befinden.

Der Durchmesser D 1 des Endabschnittes 21 ist gleich dem Durch­ messer D 3 des Endabschnittes 22 und gleich dem Durchmesser D 2 des Ventilsitzes 14. Bei geschlossenem Ventil ist der Ventil­ kopfbereich, der 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 16 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 Ventil­ glied wirkenden Drücke ausgeglichen, um den Ventilkopf am Ventil­ sitz in Anlage zu halten, oder den Ventilkopf vom Ventilsitz abheben zu können, wenn das zum Öffnen des Ventiles notwendig ist.

Gemäß Fig. 1 ist eine gewickelte Druckfeder 24 vorgesehen, um das Öffnen des Ventiles zu bewirken, während eine elektro­ magnetische 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 dar­ stellt. 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 Vorrich­ tung 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 förderten Kraftstoffes liegt im Bereich von 21,1 kg/mm². Hebt das Ventilglied von seinem Sitz ab, so ergibt sich ein Druck­ abfall über die Länge des Strömungsweges zwischen dem Ventil­ kopf und dem Ventilsitz mit dem Ergebnis, daß, während der Druck in der Kammer 15 noch auf die ringförmige Endfläche 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 aus­ geglichen, 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 Druck in der Kammer 16 jedoch an, und der infolge des Unter­ schiedes zwischen den Durchmessern D 2 und D 4 herrschende, auf das Ventilglied wirkende Differenzdruck wirkt der Tendenz des Ventilgliedes entgegen, sich in die Schließstellung zu bewegen. Der Druckanstieg in der Kammer 14 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.

Claims (2)

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 Hochdruck­ quelle des Fluids und die andere mit einer Drainage verbunden ist, wobei der Ventilkopf zum Zusammenwirken mit dem Sitz eine Kegelfläche aufweist, die sich zur einen Kammer hin verjüngt, und wobei die Flächen eines Flächenpaares des Ventilgliedes zu beiden Seiten des Ventilkopfes vorgesehen sind, die den Drüc­ ken in den beiden Kammern ausgesetzt sind, um Kräfte auf das Ventilglied auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß die eine, dem Druck in der einen, mit der Hochdruckquelle (18) verbundenen Kammer (15) ausgesetzte Ringfläche mit dem Außendurchmesser (D 1) in etwa flächengleich ist dem Ring­ flächenbereich mit dem Außendurchmesser (D 2) des Ventilkopfes, der dem Druck in dieser Kammer ausgesetzt ist, während der dem Druck in der anderen, mit der Drainage (19) verbundenen Kammer (16) ausgesetzte Ringflächenbereich mit dem Außendurchmesser (D 4) größer als der Ringflächenbereich des Ventilkopfes ist, der dem Druck in dieser anderen Kammer ausgesetzt ist und daß 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.