DE3784613T2 - Hydraulische leerlaufventile. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Leerlaufventile, beispielsweise Ventile, welche unter bestimmten Bedingungen Hydraulikflüssigkeit aus einem Kreislauf entleeren, um die auf der Kreislaufpumpe und dem zugeordneten Antriebsaggregat liegende Belastung zu mindern.
• Es ist zum Beispiel eine seit langem feststehende Tatsache, dass es wünschenswert ist, während des Anlassens des Verbrennungsmotors diesen von zusätzlichen Belastungen, wie sie sich durch den Antrieb von Hydraulikpumpen ergeben, zu entlasten, um das Durchrehen des Motors mittels des Anlassers und das Herstellen des normalen Betriebszustandes zu unterstützen.
• Bekannt ist, dass die auf einen Motor während des Anlassvorgangs ausgeübte Belastung wesentlich grösser ist, wenn die Hydraulikflüssigkeit kalt und deshalb zähflüssiger ist.
• Verschiedene Formen hydraulischer Leerlaufventile gehören zum Stand der Technik. Eine für die Steuerung von Druckstössen geeignete Konstruktion wird in der US Patentschrift 2.392.214 beschrieben, aus der die im Oberbegriff es Anspruchs 1 genannten Merkmale bekannt sind.
• Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Leerlaufventils, welches zum Aufbringen einer jeweiligen hydraulischen Last bei unterschiedlichen, von der Temperatur der Flüssigkeit abhängigen Zuflussgeschwindigkeiten schliesst.
• Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein hydraulisches Leerlaufventil vorgesehen mit einem Einlass, durch den Flüssigkeit in das Ventil eintritt und einem Auslass, durch den Flüssigkeit das Ventil verlassen kann, einem Auslassventilsitz in einem Gehäuse, einem darin zum Ventilsitz hin und von ihm weg bewegbaren Ventilschieber mit einer daran ausgebildeten Fläche zum Abschluss des Ventilsitzes, wobei das Ventil Öffnungen aufweist, welche auf die Viskosität der Flüssigkeit ansprechen, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventil eine viskositätsempfindliche erste Öffnung angeordnet ist, welche den Einlass mit einem Kanal verbindet, sowie eine nicht viskositätsempfindliche, den Kanal mit dem Auslass verbindende zweite Öffnung, so dass alle Flüssigkeit beim Durchfluss vom Einlass zum Auslass durch beide Öffnungen fliesst, wobei die erste Öffnung auf Grund des Flüssigkeitsstroms durch den Einlass ein erstes Druckgefälle erzeugt, welches den Ventilschieber vom Ventilsitz wegzubewegen versucht und die zweite Öffnung in Reaktion auf den Flüssigkeitsstrom ein zweites Druckgefälle erzeugt, welches den Ventilschieber zum Ventilsitz hin zu bewegen bestrebt ist, um diesen mit der Ventilfläche in Berührung zu bringen und den Flüssigkeitsstrom durch den Auslass zu sperren, wenn das zweite Druckgefälle grösser ist als das erste.
• In einer vorzugsweisen Ausführungsform besteht die erste Öffnung aus einem oder mehreren Kanälen, deren Abmessungen einen im wesentlichen glatten Flüssigkeitsstrom durch sie gewährleisten, und die zweite Öffnung ist mit einer oder mehreren scharfkantigen Mündungen versehen.
• Vorzugsweise ist eine schwache Feder angeordnet, welche gewährleistet, dass der Ventilsitz geöffnet ist, wenn kein Zufluss erfolgt.
• Es ist zu erkennen, dass der erste Druckabfall sich mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Viskosität (ein temperaturabhängiger Parameter) und das zweite Druckgefälle lediglich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändern. So können die Merkmale des Druckgefälles über die beiden Öffnungen derart ausgelegt werden, dass das durch die Viskosität erzeugte Druckgefälle über die erste Öffnung bei niedrigen Flüssigkeitstemperaturen überwiegt, so dass das Ventil bis zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten bei niedrigen Temperaturen offengehalten wird, während bei höheren Flüssigkeitstemperaturen das durch die Strömungsgeschwindigkeit erzeugte Druckgefälle über die zweite 0ffnung überwiegt, so dass das Ventil bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten bei höheren Flüssigkeitstemperaturen schliesst.
• Die Praxis zeigt, dass beim Starten eines Diesel-Motors bei niedrigen Temperaturen der Motor Drehzahlen erreichen muss, die gut oberhalb der normalen Leerlaufdrehzahl von beispielsweise 750 min&supmin;¹ liegen, bevor der Motor die Verbrennung aufrechterhalten und weiterlaufen kann. Die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung vom Motor zu erreichende Drehzahl ist um so höher, je niedriger die Temperatur liegt. So ist erfahrungsgemäss bei beispielsweise -15ºC eine Motordrehzahl von etwa 1250 min&supmin;¹ erforderlich, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, während bei -10ºC eine Drehzahl von etwa 850&supmin;¹ min ausreicht.
• So sind bei Anwendung der vorliegenden Erfindung zum Entlasten eines mit einer vom Diesel-Motor angetriebenen Pumpe ausgestatteten Hydraulikkreislaufs die Druckgefälle-Merkmale der ersten und der zweiten Öffnung derart ausgelegt, dass das Schliessen den Ventils bei einer Strömungsgeschwindigkeit (und damit einer Motordrehzahl) gewährleistet ist, welche der Motordrehzahl entspricht, die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung im zugeordneten Diesel-Motor bei der jeweiligen Temperatur erforderlich ist. Das sichert nicht nur die Entlastung des Motors von der Belastung durch den Hydraulik-Kreislauf, bis die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderliche Motordrehzahl erreicht ist, sondern gewährleistet auch, dass das Ventil schliesst, wenn der Motor erst einmal läuft, um unverzüglich Flüssigkeit für wichtige hydraulische Funktionn, wie Lenken und Bremsen zu fördern, so dass zum Beispiel ein Schlepperfahrer nach dem Start ohne gesicherte Lenk- und Bremsfähigkeit des Fahrzeugs nicht losfahren kann.
• In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist das Ventilgehäuse mit einer abgestuften Bohrung mit einem im Durchmesser grösseren Teil mit dem Einlass und einem im Durchmesser kleineren Teil mit dem Auslass und dem Auslassventilsitz versehen, der Ventilschieber stufenförmig ausgebildet mit einem im Durchmesser grösseren Teil mit der ersten Öffnung, der in der grösseren Bohrung verschiebbar ist, sowie einem im Durchmesser kleineren Teil mit der Ventilfläche und der zweiten Öffnung, der in der kleineren Bohrung verschiebbar ist, eine erste Zulaufkammer zwischen den Absätzen am Schieber und an der Bohrung und eine zweite Kammer zwischen den im Durchmesser grösseren Enden von Bohrung und Schieber begrenzt, wobei die erste Öffnung beide Kammern miteinander verbindet und der Kanal im wesentlichen frei von Hindernissen ist und sich innerhalb des Schiebers zwischen der zweiten Kammer und der zweiten Öffnung erstreckt.
• Ausserdem sieht die vorliegende Erfindung einen Hydraulik-Kreislauf mit einer motorgetriebenen Pumpe und einem Leerlaufventil entsprechend der oben beschriebenen Konstruktion vor, das bei niedrigen Flüssigkeitstemperaturen öffnet und damit den Kreislauf entlastet, um das Starten des Motors zu erleichtern.
• Ferner sieht die Erfindung eine Hydraulikpumpe mit einem Leerlaufventil gemäss der oben beschriebenen Konstruktion vor.
• Eine erfindungsgemässe Ausführungsform wird nachstehend beispielhaft beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Schlepper-Hydraulikkreislaufs mit einem erfindungsgemässen Leerlaufventil,
• Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Leerlaufventils,
• Fig. 3 eine graphische Wiedergabe typischer Druckgefälle-Merkmale der im Ventil gemäss Fig. 2 verwendeten Öffnungen und
• Fig. 4, 5 und 6, 7 wahlweise Ausführungsformen des Ventilschiebers zur Verwendung im Ventil nach Fig. 2.
• In Fig. 1 ist ein Hydraulik-Kreislauf dargestellt, in welchem ein Schlepper-Diesel-Motor E eine Pumpe P antreibt, die hydraulische Druckflüssigkeit aus der Ölwanne S an Verbraucher C (beispielsweise Schlepper-Brems- und Lenkkreisläufe) fördert. Der Kreislauf weist ebenso ein erfindungsgemäßes hydraulisches Leerlaufventil V auf, dessen Merkmale derart ausgelegt sind, dass bei niedrigen Temperaturen unter zum Beispiel -10ºC das Leerlaufventil geöffnet ist, so das von der Pumpe P geförderte Druckflüssigkeit über die Leitung R in die Ölwanne S zurückfliesst statt den Verbrauchern C zugeführt zu werden. Die Charakteristik des Ventils V gewährleistet, dass bei Temperaturen von angenommen mehr als -8ºC das Ventil geschlossen ist, so dass dann die Pumpe P die Verbraucher auf normale Weise versorgt.
• Wie oben und nachfolgend beschrieben, wird der Motor E durch das Entlasten des Hydraulik-Kreislaufs bei niedrigen Temperaturen, bei den die Flüssigkeit am zähesten ist, von bedeutender zusätzlicher Belastung befreit, wodurch das Starten des Motors erleichtert wird.
• Wird eine Tandempumpen-Anordnung angewendet, in der eine zweite Pumpe P' zur Versorgung eines zweiten Satzes von Verbrauchern C' ebenfalls vom Motor E angetrieben wird, so kann die Flüssigkeit in der Rücklaufleitung R über die Leitung R' der Einlaßseite der Pumpe P zugeführt werden anstatt in die Ölwanne abzufliessen. Eine solche Anordnung vermindert die mit dem Betrieb der zweiten Pumpe P' zusammenhängenden Saugverluste.
• Die Einzelheiten des Ventils V, welche die beschriebene Charakteristik erreichen lassen, zeigen, dass das Ventil V aus einem Gehäuse 10 besteht, welches eine abgestufte Innenbohrung mit einem im Durchmesser grösseren Bohrungsteil 11 und einem im Durchmesser kleineren Bohrungsteil 12 aufweist. Ein Einlass 13 öffnet in den Teil 11 mit dem grösseren Durchmesser, und ein Auslass 14 ist in dem Ende des Teils 12 mit dem kleineren Durchmesser angeordnet. Ein stufenförmiger Ventilschieber 15 gleitet in der abgestuften Bohrung und begrenzt eine erste Kammer A zwischen dem Rand 16 der Bohrung und der Kante 17 des Ventilschiebers. Eine zweite Kammer B wird zwischen dem mit dem grösseren Durchmesser versehenen Ende des Schiebers 15 und dem zugehörigen Ende des Bohrungsteils 11 abgegrenzt.
• Die Kammern A und B sind über erste Öffnungen in Form von zwei Längsbohrungen 18 miteinander verbunden, deren Abmessungen so ausgelegt sind, dass sie eine im wesentlichen glatte Strömung der von Kammer A zur Kammer B fliessenden Flüssigkeit gewährleisten. Beispielsweise weisen die Bohrungen 18 in einer vom Anmelder unter Verwendung einer Flüssigkeit mit einem Viskositätsgrad von 15W/30 und einem wirksamen Schieberflächen-Verhältnis für die Kammern A und B von 1:2 getesteten Ausführungsform einen Durchmesser von 3,35 mm und eine Länge von 15 mm auf.
• Ein zentraler Kanal grossen Durchmessers verbindet die Kammer B mit einer zweiten, scharfkantigen Öffnung 20 (von 3,0 mm Durchmesser in der erwähnten Testausführung) im Kopfteil 21 des Ventilschiebers 15. Um den Auslass 14 herum ist ein Ventilsitz 22 ausgebildet, welcher von einer Ventilfläche 23 am Kopfteil 21 des Schiebers 15 berührt werden kann. Eine schwache Feder 24 wirkt zwischen dem Ende des Teiles 12 mit dem kleineren Durchmesser und dem Kopfteil 21 des Ventilschiebers. Die Feder ist gerade ausreichend stark, um zu gewährleisten, dass der den Auslass 14 umgebende Ventilsitz 22 geöffnet ist, wenn keine Flüssigkeit durch den Einlass 13 strömt.
• Da es sich um eine im wesentlichen laminare Strömung entlang den Bohrungen 18 handelt, variiert das Druckgefälle zwischen Kammer A und Kammer B sowohl mit der Strömungsgeschwindigkeit als auch mit der Viskosität der über den Einlass des Leerlaufventils eintretenden Flüssigkeit. Somit ist das Druckgefälle über die Bohrungen 18 temperaturabhängig.
• Fig. 3 zeigt Kurven W, X, Y, Z, welche typische Druckgefälle über den Strömungsgeschwindigkeits-Merkmalen der Bohrungen 18 jeweils für die Temperaturen -15ºC, -10ºC, 0ºC und 40ºC darstellen. Die Strömungsgeschwindigkeitsachse in Fig. 3 ist auch mit den annähernden Motordrehzahlen bei gegebenen Strömungsgeschwindigkeiten versehen.
• Es ist zu erkennen, da die Öffnung 20 mit scharfen Kanten versehen ist, dass ihr Druckgefälle unabhängig von Viskosität und somit nicht temperaturabhängig ist. Ein typisches Druckgefälle über der Strömungsgeschwindigkeit ist für die scharfkantige Öffnung 20 bei U in Fig. 3 dargestellt.
• Der Schieber 15 ist so angeordnet, dass das Druckgefälle über die Öffnungen 18 ihn vom Ventilsitz wegzubewegen versucht, während das Druckgefälle über die scharfkantige Öffnung 20 den Schieber zum Ventilsitz hin zu bewegen bestrebt ist.
• Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass die Schnittpunkte der Kurve U mit den jeweiligen Temperaturkurven X, Y, Z und W die Strömungsgeschwindigkeiten anzeigen, die erforderlich sind, bevor das Druckgefälle über die scharfkantige Öffnung 20 das Leerlaufventil schliesst.
• So ist beispielsweise bei -15ºC eine Strömungsgeschwindigkeit von 15,5 l/min (angenäherte Motordrehzahl 1250 min &supmin;¹) zum Schliessen des Ventils erforderlich. Wie oben erwähnt, sind 1250 min&supmin;¹ die annähernde Motordrehzahl, die notwendig ist, die Verbrennung aufrecht zu erhalten und den Weiterlauf des Motors bei -15ºC zu gewährleisten. Wenn also der Bedienungsmann das Starten des Motors bei -15ºC einleitet, muss die Motordrossel gut oberhalb 1250 min&supmin;¹ eingestellt werden, und anfänglich wird der Anlasser den Motor auf beispielsweise 120 min&supmin;¹ drehen, bei denen der Verbrennungsprozess im Motor einsetzt. Der Anlasser ist weiterhin hilfreich für den Motor, bis die Drehzahl sich auf beispielsweise 700 min&supmin;¹ erhöht hat, woraufhin der Motor eine Phase durchläuft, während welcher der Anlasser freigegeben werden kann, die Motordrehzahl aber mit nur geringen oder keinen äusseren Belastungen weiter erhöht werden muss, bis etwa 1250 min&supmin;¹ erreicht sind, bei welcher Drehzahl der Verbrennungsprozess, wie die Praxis gezeigt hat, sich voll durchgesetzt hat und kontinuierlicher Motorlauf gewährleistet ist.
• Es ist zu sehen, dass während des beschriebenen Anlassvorgangs, der viele Sekunden dauern kann, das Leerlaufventil geöffnet bleibt, wodurch der Motor vom grössten Teil der mit dem Antrieb der Pumpe P verbundenen Belastungen entlastet wird. Das Schliessen des Ventils bei 1250 min&supmin;¹ gewährleistet, dass der Bedienungsmann den Schlepper nicht fahren kann, ohne über die lebenswichtigen hydraulischen Funktionen, wie Lenken und Bremsen, verfügen zu können.
• Tests haben ergeben, dass das erfindungsgemässe Leerlaufventil die anfängliche Anlassdrehzahl eines Diesel-Motors bei -15ºC um annähernd 10 min&supmin;¹ erhöht. Man kann feststellen, dass dies eine bedeutende Zunahme darstellt, da eine typische Motor-Anlassdrehzahl bei 120 min&supmin;¹ liegt. Grösserer Nutzen wird natürlich bei niedrigeren Temperaturen erzielt.
• Åhnlich wird bei -10ºC die zum Schliessen des Ventils erforderliche Motordrehzahl auf annähernd 850 min&supmin;¹ eingestellt, die bei dieser Temperatur notwendig ist, um kontinuierliche Verbrennung zu gewährleisten und wiederum sicherzustellen, dass der Hydraulik-Kreislauf während des Anlassens des Motors entlastet wird, und dass das Ventil bei einer Drehzahl schliesst, welche annähernd gleich ist mit der zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlichen Drehzahl.
• Die Kurve Y zeigt, dass bei 0ºC die zum Schliessen des Ventils erforderliche Motordrehzahl annähernd 450 min&supmin;¹ beträgt, so dass das Ventil eindeutig vor der Leerlaufdrehzahl von 750 min&supmin;¹ schliesst, somit tatsächlich nicht in Betrieb ist.
• Praktisch werden die Ventil-Merkmale vorzugsweise so ausgelegt, dass das Ventil bei allen Temperaturen oberhalb von beispielsweise -8ºC vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl schliesst, da die Viskositäts-Auswirkungen oberhalb dieser Temperatur weniger bedeutsam sind.
• Falls gewünscht, kann das Leerlaufventil V zweckmässig in den Pumpenkörper P eingebaut werden, woraus sich eine weitere Verbesserung im Leistungsverhalten ergibt, da die mit den Leitungen zum Ventil zusammenhängenden Leistungsverluste vermindert werden.
• Die Fig. 4 und 5 zeigen eine alternative Schieberausführung, bei der die Bohrungen 18 ersetzt wurden durch einen grossen ringförmigen Spalt 30 zwischen dem mit grösserem Druchmesser versehenen Endteil des Schiebers 15 und dem entsprechenden Bohrungsteil 11. Das Ende des Schiebers 15 weist Aussparungen 31 auf, um den Zustrom in den Zentralkanal 19 zu gewährleisten.
• Die Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Schieberkonstruktion, bei der die Bohrungen 18 ersetzt worden sind durch eine die Kammern A und B verbindende spiralförmige Nut 32. Eine Hülse 33 stösst gegen das Ende des Schiebers 15 und sichert die Verbindug mit dem Zentralkanal 19, wenn der Schieber ganz nach rechts bewegt wird.
• Sowohl der erwähnte ringförmige Spalt 30 wie auch die spiralförmige Nut 32 erzeugen die gleiche Wirkung für die Laminarströmung wie die Bohrungen 18 in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung.

Claims (7)

1) Hydraulisches Leerlaufventil mit einem Einlass (13), durch den Flüssigkeit in das Ventil gelangt und einem Auslass (14), durch den Flüssigkeit das Ventil verlassen kann, einem Auslassventilsitz (22) in einem Gehäuse (10), einem darin zum Ventilsitz hin und von ihm weg verschiebbaren Schieber (15) mit einer daran ausgebildeten Ventilfläche (23) zum Abschluss des Ventilsitzes, wobei das Ventil auf die Viskosität der Flüssigkeit ansprechende Öffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventil eine viskositätsempfindliche erste Öffnung (18) vorgesehen ist, welche den Einlass mit einem Kanal (19) verbindet, sowie eine nicht viskositätsempfindliche, den Kanal mit dem Auslass verbindende zweite Öffnung (20), wodurch alle Flüssigkeit beim Durchfluss vom Einlass zum Auslass durch beide Öffnungen fliesst, wobei die erste Öffnung auf Grund des Flüssigkeitsstroms durch den Einlass ein erstes Druckgefälle erzeugt, welches den Ventilschieber vom Ventilsitz wegbewegt und die zweite 0ffnung auf Grund des Flüssigkeitsstroms ein zweites Druckgefälle erzeugt, welches den Ventilschieber zum Ventilsitz hinbewegt, so dass Ventilsitz und Ventilfläche sich berühren und den Flüssigkeitsstrom durch den Auslass sperren, wenn das zweite Druckgefälle grösser ist als das erste.

2) Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgefälle-Merkmale der beiden Öffnungen (18, 20) derart ausgelegt sind, dass das durch die Viskosität erzeugte Druckgefälle bei niedrigen Flüssigkeitstemperaturen überwiegt, so dass das Ventil offengehalten wird bis zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten bei niedrigen Flüssigkeitstemperaturen, während bei höheren Flüssigkeitstemperaturen das durch die Strömungsgeschwindigkeit erzeugte Druckgefälle über die zweite Öffnung (20) überwiegt, so dass das Ventil bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten bei höheren Flüssigkeitstemperaturen schliesst.

3) Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung aus mindestens einem Kanal (18) besteht, dessen Abmessungen einen im wesentlichen laminaren Flüssigkeitsstrom durch ihn gewährleisten und die zweite Öffnung mit mindestens einer scharfkantigen Mündung (20) versehen ist.

4) Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine schwache Feder (24) vorgesehen ist, welche gewährleistet, dass der Ventilsitz bei fehlendem Zufluss geöffnet ist.

5) Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) mit einer abgestuften Bohrung mit einem im Durchmesser grösseren Teil (11), welcher den Einlass (13) aufweist, und einem im Durchmesser kleineren Teil (12) mit dem Auslass (14) und dem Auslassventilsitz (22) versehen ist, der Ventilschieber (15) die Form eines Stufenkolbens aufweist, mit einem im Durchmesser grösseren Teil mit der ersten Öffnung (18), der im Bohrungsteil (11) mit dem grössten Durchmesser verschiebbar ist, sowie mit einem im Durchmesser kleineren Teil mit der Ventilfläche (23) und der zweiten Öffnung (20), der im Bohrungsteil (12) mit dem kleineren Durchmesser verschiebbar ist, eine erste Zulaufkammer (A) zwischen den Stufen im Schieber und in der Bohrung und eine zweite Kammer (B) zwischen den mit den grösseren Durchmessern versehenen Enden von Bohrung und Schieber begrenzt wird, wobei die erste Öffnung (18) die erste Kammer (A) mit der zweiten Kammer (B) verbindet und der Kanal (19) im wesentlichen frei von Hindernissen ist und sich innerhalb des Schiebers zwischen der zweiten Kammer (B) und der zweiten Öffnung (20) erstreckt.

6) Hydraulikkreislauf mit einer motorgetriebenen Pumpe (P) und einem Leerlaufventil (V) nach Anspruch 1, welches bei niedrigen Flüssigkeitstemperaturen öffnet und damit den Kreislauf zur Erleichterung des Startens des Motors (E) entlastet.

7) Hydraulikpumpe (P) mit einem Leerlaufventil (V) nach Anspruch 1.