DE4231598C1 - Druckmittelbetätigbares Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein druckmittelbetätigbares Ventil mit Differenzkolbenanordnung, über welches ein Ventilschieber betätigbar ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Ventil ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 49 192 bekannt. Ventile mit Differenzkolbenanordnung benötigen in der Regel nur kleine effektive Kräfte, um den Ventilschieber zu betätigen. Ventile dieser Art werden vielfach als Anfahrventile für Dieselmotoren größerer Bauart verwendet. Solche zumeist in der Schiffahrt verwendeten Dieselmotoren werden mit Druckluft angelassen, wobei die genannten Ventile Verwendung finden. Zum Anlassen dieser Schiffsdieselmotoren bedient man sich üblicherweise der an Bord befindlichen großen Druckluftflaschen. Diese Druckluftlasten beinhalten bis zu einem Druck von 40 bar vorgespannte Druckluft, die zum Anlassen der Schiffsmotoren über die Anfahrventile verteilt den einzelnen Zylindern zugeführt wird. Aufgrund von Vorschriften der Klassifikationsgesellschaften müssen nach Abschalten der Lufterzeuger noch eine bestimmte Anzahl von Anlaßmanövern durchgeführt werden können.

Aus diesem Grund müssen Anfahrventile so konzipiert sein, daß der Luftverbrauch möglichst gering gehalten wird und bei niedrigem Vordruck noch geschaltet werden kann. Die Bedingung, bei niedrigem Vordruck noch schalten zu können, ist generell durch die bekannte Differenzkolbenanordnung zur Betätigung des Ventilschiebers gegeben.

Bei den Ventilen bekannter Bauart ist jedoch der Luftverbrauch durch ein uneffizientes Schalten zwischen den Schaltzuständen Entlüftung und Belüftung zu hoch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Luftverbrauch aus den o.g. Gründen weiter zu minimieren, und gleichzeitig eine konstruktiv einfache und kompakte Bauform vorzugeben.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem druckmittelbetätigbaren Ventil der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, innerhalb des Ventilschiebers ein verschiebbares Entlüftungsbetätigungselement integriert anzuordnen, so daß innerhalb eines Betätigungsvorganges nacheinander die Trennung der Entlüftungsleitung von der Arbeitsleitung erfolgt, und anschließend die Durchsteuerung des Druckanschlusses in die Arbeitsleitung erfolgt. Das heißt, bei betätigungsseitiger Druckbeaufschlagung wird über eine erste Wegstrecke zunächst nur das Entlüftungsbetätigungselement innerhalb des Ventilschiebers alleine bewegt, und der Ventilschieber bleibt in Ruhe. Das Entlüftungsbetätigungselement trennt nach Beendigung dieser ersten Wegstrecke die Entlüftungsleitung vollständig von der Arbeitsleitung. Ein am Entlüftungsbetätigungselement angeordneter Mitnehmer bewirkt, daß nach Beendigung des ersten Betätigungsweg des Entlüftungsbetätigungselementes der Ventilschieber mitgenommen wird, und beide zusammen dann die zweite Betätigungswegstrecke durchfahren. Im Verlaufe der gesamten zweiten Betätigungswegstrecke bleibt die Entlüftung von der Arbeitsleitung getrennt und gleichzeitig wird die Verbindung zwischen Druckanschluß und Arbeitsleitung geöffnet.

Um diese Funktion auch ausführen zu können, sind Ventilschieber und Entlüftungsbetätigungselement mit betätigungswegabhängigen Kopplungsmitteln versehen. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bestehen diese Kopplungsmittel aus einem am Entlüftungsbetätigungselement angeordneten Mitnehmer und aus einer mit dem Mitnehmer in Kraftschluß bringbare am Ventilschieber angeordnete Auflagefläche. Mitnehmer und Auflagefläche sind im unbetätigten Zustand im Betrag der ersten Betätigungswegstrecke voneinander beabstandet. Das heißt, die erste Betätigungswegstrecke wird vom Entlüftungsbetätigungselement - wie oben bereits beschrieben - alleine durchfahren, und nach Auflage des Mitnehmers auf die am Ventilschieber angeordnete Auflagefläche wird dann das Entlüftungsbetätigungselement gemeinsam mit dem Ventilschieber über die zweite Ventilbetätigungswegstrecke bewegt. Dabei werden nacheinander die oben beschriebenen Funktionen bewirkt. Besonders vorteilhaft ist es hier, den Mitnehmer als betätigungsseitigen Kolben auszubilden, der die Steuerfläche bildet, über die das Ventil betätigbar ist. Diese Ausgestaltungsmöglichkeit erfüllt in Verbindung mit dem Merkmal, das Entlüftungsbetätigungselement in den Ventilschieber zu integrieren, den Zweck einer funktional und konstruktiv kompakten Bauform. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilschieber hohl ausgebildet und im Bereich zwischen einem arbeitsleitungsseitigen Druckraum und einem entlüftungsseitigen Druckraum mit Öffnungen versehen, über welche die besagten Druckräume miteinander verbindbar sind. In Verbindung damit ist das integrierte Entlüftungsbetätigungselement über einen Abschnitt im Bereich der Ventilschieberöffnungen derart verjüngt, daß im unbetätigten Zustand die besagten Druckräume miteinander verbunden sind und nach Durchfahren der ersten Betätigungswegstrecke die beiden besagten Druckräume voneinander getrennt sind. Um die Schaltzustände zwischen betätigter und unbetätigter Entlüftung entsprechend abzudichten, ist ein Ringdichtungselement vorgesehen, welches in einer in der Ventilschieberinnenwand angeordneten Nut eingelegt ist. Hierbei kann das Ringdichtungselement aus einer Doppel-O-Ringdichtung mit dazwischenliegendem Steg bestehen. Das heißt, einer der O-Ringe umfaßt das Entlüftungsbetätigungselement und der zweite umfaßt den inneren O-Dichtring und liegt in der in der Ventilschieberinnenwand angeordneten Nut. Beide O-Ringe sind über einen dazwischenliegenden Steg so miteinander verbunden, daß die entsprechenden Dichtkräfte aufgebracht werden. Alternativ dazu kann das Ringdichtungselement aus einem am Betätigungselement anliegenden Gleitring und einem am Gleitring und in der Nut anliegenden O-Ring bestehen. Bei dieser Dichtungsvariante ist der Gleitring von verschleißarmer und der O-Ring von dichtender Konsistenz. Das heißt, der Gleitring übernimmt zunächst nur eine führende Funktion und ist somit aus einem verschleißarmen entsprechend härteren Material als der O-Ring; der O-Ring weist dagegen nur dichtende Materialkonsistenz auf und ist somit weicher.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Gesamtlängsschnitt durch den Ventilkörper,

Fig. 2 Detaildarstellung X bezüglich Fig. 1 mit Doppel-O-Ringdichtung,

Fig. 3 Detaildarstellung X zur Fig. 1 mit zweiter Dichtungsvariante,

Fig. 4 Querschnitt durch das Entlüftungsbetätigungselement im Bereich des verjüngten Abschnittes.

Fig. 1 zeigt das Ventil insgesamt mit einem Gesamtlängsschnitt durch den Ventilkörper. Der Ventilkörper besteht aus einem Ventilgehäuse 1 sowie einem im Bereich der Steuerfläche bzw. Betätigungsfläche 6 in das Ventilgehäuse eingebrachten Führungsteiles 2. Die Steuerfläche 6 wird hier durch einen Kolben gebildet, der gleichzeitig den Mitnehmer 16 darstellt. Der Mitnehmer 16 ist von der Auflagefläche 17 des eigentlichen Ventilschiebers in der dargestellten unbetätigten Ruheposition im Betrag der ersten Betätigungswegstrecke beabstandet. Des weiteren weist das Ventilgehäuse Druckmittelanschlüsse auf, die mit P für Druckmittelversorgungsanschluß und mit A für Druckmittelarbeitsanschluß bezeichnet sind. Der Arbeitsanschluß A mündet in den arbeitsleitungsseitigen Druckraum 20 und der Druckanschluß P in einen Druckraum 34. Der Entlüftungsanschluß R mündet über den Kanal 24 in den entlüftungsseitigen Druckraum 23. Die weiteren Bauteile lassen sich durch die nachfolgend beschriebene Funktion darstellen. Am Druckmittelversorgungsanschluß P und im Druckraum 34 liegt nun der Versorgungsdruck an und wird über den Kanal 32 an das Vorsteuersystem 13 gegeben. Wird nun der Magnet 14 oder die Handbetätigung 15 betätigt, so gelangt der Versorgungsdruck auch auf die Steuerfläche 6. Gleichzeitig liegt der Versorgungsdruck über die Druckkanäle 9 und 10 auch auf der der Steuerfläche gegenüberliegenden Seite des Entlüftungsbetätigungselementes 4 an der dort mit 5 gekennzeichneten Querschnittsfläche an. Diese Fläche 5 kann somit als Rückführfläche des Entlüftungsbetätigungselementes angesehen werden. Eine Feder 7 dient als Positionierung des Entlüftungsbetätigungselementes 4. Da die Steuerfläche 6 größer als die Rückführfläche 5 ist, entsteht bei entsprechender Dimensionierung der Feder 7 eine Stellkraft nach unten. Das heißt, der als Mitnehmer 15 ausgebildete Kolben bewegt sich entlang der ersten Betätigungswegstrecke nach unten. Das Entlüftungsbetätigungselement 4 ist über einen Abschnitt 18 verjüngt ausgebildet. Im Bereich dieses Abschnittes 18 weist der hohl ausgebildete und aus Auflagefläche 17 und Ventilschieberkolben 3 bestehende Ventilschieber Öffnungen 21 auf, derart, daß im dort dargestellten unbetätigten Zustand die Arbeitsleitung über diese Öffnungen 21 und den verjüngten Abschnitt 18 des Entlüftungsbetätigungselementes 4 eine druckmittelschlüssige Verbindung in den Entlüftungsdruckraum 23 hat, so daß in diesem Zustand die Arbeitsleitung A in die Entlüftungsleitung R entlüftet ist. Hat das Entlüftungsbetätigungselement 4 nun wie bereits gesagt die erste Betätigungswegstrecke zurückgelegt, und liegt der Mitnehmer 15 auf der Auflagefläche 17 des Ventilschiebers auf, so hat der querschnittsverjüngte Abschnitt 18 des Entlüftungsbetätigungselementes längst die Öffnungen 21 passiert, und die Arbeitsleitung von dem entlüftungsseitigen Druckraum getrennt. Nach Auflage des Mitnehmers 16 auf der Auflagefläche 17 wird dann der Ventilschieberkolben 3 mitsamt dem Entlüftungsbetätigungselement 4 über die nun anschließende zweite Betätigungswegstrecke gemeinsam nach unten geführt. Das Entlüftungsbetätigungselement 4 wird zwar auch entlang der zweiten Betätigungswegstrecke bewegt, jedoch hat der Abschnitt 18 längst das Dichtelement 19 in der Führungsnut 30 überfahren, so daß die Arbeitsleitung von der Entlüftungsleitung getrennt bleibt. Während dieses zweiten Betätigungsweges wird jedoch der Ventilschieberkolben von der Dichtfläche 12 abgehoben, und der druckanschlußseitige Druckraum 34 wird in den arbeitsleitungsseitigen Druckraum 20 durchgeschaltet, so daß eine durchgehende Verbindung zwischen Druckanschluß P und Arbeitsanschluß A existiert. Die Feder 8, die auf die Unterseite des Ventilschieberkolbens eingreift, dient nur zur Positionierung bzw. Rückführung nach Druckabfall. Beim Abschalten wird der Raum über der Steuer- bzw. Betätigungsfläche 6 über die Entlüftung 26 des Magneten 14 entlüftet. Wesentlich ist hierbei, daß über das Kanalsystem der gleiche Druck P sowohl an der Steuerfläche 6 als auch an der Rückführfläche 5 gleichermaßen anliegt. Fällt nach mehreren Betätigungen der Vordruck, so fällt auch der Einschaltdruck, d. h. das gesamte Schaltniveau senkt sich; dies bewirkt, daß mehrere Betätigungen erreicht werden. Fällt also der Druck P etwas ab, so ist über die Flächendimensionierung zwischen der Betätigungsfläche 6 und der Rückführfläche 5 immer noch gewährleistet, daß eine Differenzkraft in Stellrichtung verfügbar ist. Damit ist der Luftverbrauch so gering wie möglich gehalten und bei niedrigem Vordruck kann noch immer geschaltet werden.

Fig. 2 zeigt eine Detaildarstellung x bezüglich Fig. 1 mit Doppel-O-Ring-Dichtung. Hierbei ist ein Teilausschnitt des Entlüftungsbetätigungselementes 4 in Wirkverbindung mit der Doppel-O-Ring-Dichtung 19′′′ und dem verjüngten Abschnitt des Entlüftungsbetätigungselementes 4 zu erkennen. Der Abschnitt 18 des Entlüftungsbetätigungselementes 4 weist bei der Verwendung der hier dargestellten Doppel-O-Ring-Dichtung abgerundete Kanten 18′′ auf. Wird nun das Entlüftungsbetätigungselement 4 nach oben bewegt, so überfährt die Dichtkante 18′′ das Dichtelement 19′′′. Der verjüngte Abschnitt 18 des Entlüftungsbetätigungselementes 4 erstreckt sich dabei soweit, daß über einen entsprechenden Betätigungsweg die Druckräume zwischen Arbeitsleitung und Entlüftungsleitung verbundene sind. Der verjüngte Abschnitt 18 des Entlüftungsbetätigungselementes 4 ist, wenn man mitten durch den Abschnitt 18 einen Schnitt legt, nicht durchgängig verjüngt, sondern bildet im Querschnitt eine sternförmige Kontur, die weiter unten in Fig. 4 noch beschrieben wird. Daher entsteht hierbei im Bereich des Abschnittes 18 in Fig. 2 eine Kante 25, die auch weiter unten in Fig. 4 noch deutlicher dargestellt ist. Bezüglich Fig. 2 ist an der durch den Ventilschieberkolben dort gebildeten Ventilschieberinnenwand eine Nut 30 angeordnet, innerhalb der das Dichtelement 19′′′ angeordnet ist. Hierbei besteht das genannte Dichtelement aus einem Doppel-O-Dichtring, wobei der eine Dichtring an dem Entlüftungsbetätigungselement 4 und der andere Dichtring am Boden der Nut 30 anliegt. Beide Dichtringe sind über einen Steg 31 miteinander verbunden. Der Steg 31 sowie die Nut 30 sind dabei so bemessen, daß die entsprechenden Dichtkräfte aufgebracht werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Dichtungsvariante, bei der in der Dichtungsnut 30 sowohl ein Gleitring 19′ als auch ein Dichtring 19′′ angeordnet ist. Der Gleitring 19′ liegt am Außenumfang des Entlüftungsbetätigungselementes 4 an und ist im übrigen von verschleißarmer, d. h. von härterer Konsistenz als der Dichtring 19′′. Der Gleitring 19′ wird vom Dichtring 19′′, der einen größeren Durchmesser aufweist, umfaßt, und liegt zwischen dem Gleitring 19′ in der Nut 30 dichtend an. Der verjüngte Abschnitt 18 des Entlüftungsbetätigungselementes 4 kann bei dieser Dichtungsvariante scharfe Kanten 18′ aufweisen, wenn der Gleitring 19′ an den Kanten entsprechend abgeschrägt ist. Dies kann auch umgekehrt gestaltet sein, d. h. die Kante 18′ kann abgerundet und dafür der Gleitring 19′ scharfkantig sein.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Entlüftungsbetätigungselementes 4 durch den verjüngten Abschnitt 18. Hierbei wird deutlich, daß nicht die volle Außenkontur des Entlüftungsbetätigungselementes 4 verjüngt ist, sondern sternförmig. Das heißt, am Außenumfang sind quasi Schlitze 22 verteilt, die eine Tiefe besitzen, die bis zum Kerndurchmesser des verjüngten Abschnittes 18 reichen bzw. diesen bilden. Stehen bleiben die Kanten 25. Eine Ausgestaltung des verjüngten Abschnittes 18 in dieser Form bewirkt, daß zum einen über die Schlitze 22 eine Verbindung des arbeitsleitungsseitigen Druckraumes 20 mit dem entlüftungsseitigen Druckraum 23 bewerkstelligt werden kann, und daß die stehenbleibenden Kanten 25 den übrigen Durchmesser des Entlüftungsbetätigungselementes 4 erhalten und somit auch im Bereich des Überfahrens der Dichtkante noch eine hinreichende Führung des Entlüftungsbetätigungselementes auch in diesem Bereich erhalten bleibt.

Claims (8)

1. Druckmittelbetätigbares Ventil mit einem als Differenzkolben ausgebildeten Verschlußstück, dessen Steuerflächen mit einem Ver­ sorgungsdruck beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Differenzkolben ein in einem Ventilschieber (3, 17) ver­ schiebbar geführtes Entlüftungsbetätigungselement (4) ist und
• b) Ventilschieber (3, 17) und Entlüftungsbetätigungselement (4) mit betätigungswegabhängigen Kopplungsmitteln (16, 17) versehen sind, derart, daß bei betätigungsseitiger Druckbeaufschlagung zunächst über eine erste Wegstrecke das Entlüftungsbetätigungs­ element (4) allein verschoben wird und dabei eine Entlüftungs­ leitung (R) von einer Arbeitsleitung (A) trennt, und über eine zweite anschließende Betätigungswegstrecke das Entlüftungsbe­ tätigungselement (4) den Ventilschieber (3, 17) mitnimmt und den Druckanschluß (P) mit einer Arbeitsleitung (A) verbindet.

2. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel (16, 17) aus einem am Entlüftungsbetätigungselement (4) angeordneten Mitnehmer (16) und aus einer mit dem Mitnehmer (16) in Kraftschluß bringbare am Ventilschieber angeordnete Auflagefläche (17) bestehen, und Mitnehmer (16) und Auflagefläche (17) im unbetätigten Zustand im Betrag der ersten Betätigungswegstrecke voneinander beabstandet sind.

3. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (16) als betätigungsseitiger Kolben ausgebildet ist, über den der Ventilschieber (3, 17) betätigbar ist.

4. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (3, 17) hohl ausgebildete und im Bereich zwischen einem arbeitsleitungsseitigen Druckraum (20) und einem entlüftungsseitigen Druckraum (23) mit Öffnungen (21) versehen ist, über welche diese Druckräume (20, 23) miteinander verbindbar sind.

5. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß daß Entlüftungsbetätigungselement (4) über einen Abschnitt (33) im Bereich der Öffnungen (21) des Ventilschiebers derart verjüngt ist, daß im unbetätigten Zustand die Druckräume (20; 23) miteinander verbunden sind und nach Durchfahren der ersten Betä­ tigungswegstrecke die beiden Druckräume (20, 23) vonein­ ander getrennt sind.

6. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich nahe den Öffnungen (21) im Ventilschieber ein Ring­ dichtungselement (19) zwischen Ventilschieberinnenwand und Ent­ lüftungsbetätigungselement in einer in der Ventilschieberinnenwand angeordneten Nut (30) eingelegt ist.

7. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringdichtungselement (19) aus einer Doppel-O-Ringdichtung (19′′′) mit dazwischenliegendem Steg (31) besteht).

8. Druckmittelbetätigbares Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringdichtungselement (19) aus einem am Entlüftungsbetätigselement (4) anliegenden Gleitring (19′) und einem am Gleitring (19′) und in der Nut (31) anliegenden O-Ring (19′′) besteht.