SE465533B - Tyst backventil foer pulserande floede - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 465 533 2 En backventil som i viss mån reducerar det oljud som erhålls då backventilen slår mot sätet visas i det amerikanska patentet US,A,3,532,115. Här har ventilkäglan en primär tätningskropp i form av en avrundad elastisk kägla som medger deformation av käglan tills en styvare krage nedströms på käglan kommer till anliggning runt ventilsätet.

En annan backventil som i första hand är avsedd för intermittent flöde med korta öppningstider av hög frekvens, visas i den tyska patentansökningen DE,A,36 12 393. För att ge ventilkäglan förbättrad styrning i genomströmningskanalen så att käglan centreras mot sätet i tätningsläget är här käglan utformad med runt omkretsen jämnt fördelade urtag uppströms de partier på käglan som kommer till anliggning mot sätet.

De tidigare kända backventilerna har dock inte några konstruktiva åtgärder för att dämpa käglans rörelse ner mot sätet utöver den dämpning som ges av strypningen mellan käglan och sätet. Då käglan till en backventil på konventionellt sätt utformas som en sfär eller halvsfär för att minska strömningsmotståndet över backventilen, medför detta att en mindre strömningsfluktuation orsakar en snabb rörelse av käglan mot sätet. Käglan kan i viss mån göras elastisk och stötupptagande, men en sådan utformning sätter inte ner käglans hastighet vid rörelse mot sätet, varför oljud ändock kan uppstå. Vid exempelvis backventiler i insprutningssystem för bensinmotorer måste käglan vara resistent mot bensinen vilket medför att relativt styva gummimaterial i första hand använts. Dessa styva gummimaterial ger bra tätning, men med avseende på ljudalstring vid slag mot ventilsätet blir ljudreduktionen ringa.

Uppfinningens ändamål Föreliggande uppfinning har till ändamål att ge en förbättrad tyst backventil med lågt tryckfall som är lämplig för pulserande flöde, företrädesvis som backventil i ett insprutningssystem för drivmedel till Ottomotorer. Dessa insprutningssystem innefattar ofta en backventil som ska se till att bränslet kvarhålls i ledningarna och inte dräneras tillbaka till drivmedelstanken då motorn stängs av.Om därvid backventilen har en 10 15 20 25 30 35 2 465-ass' kulformad eller sfärisk ventilkägla som ger lågt tryckfall och har en karakteristik som ger snabb respons på flödet och dess fluktuationer, kommer backventilens kägla att slå tillbaka mot ventilsätet med hög hastighet och medföra att käglan hamnar i ett självsvängningstíllstånd.

Denna självsvängning är påtaglig vid förbränningsmotorns tomgångsvarvtal, och ligger runt 1000 Hertz i beroende av backventilens fjäderkaraktäristik.

I syfte att lösa dessa problem utmärks den uppfinningsenliga backventilen av de särdrag som anges i huvudkravets kännetecknande del.

Uppfinningen medför att ventilkäglan vid utbildat flöde tvingas att inta ett läge på avstånd från ventilsätet och att vid utbildat flöde en volym av fluidum mellan flänsen och ventilsätet utnyttjas som dämpfluidum för ventilkäglans rörelse mot sätet. Härigenom kan den sfäriska ventilkäglan ligga och självsvänga en bit från ventilsätet utan att förorsaka oljud.

I de bifogade underkraven anges utföringsformer av uppfinningen vilka visat sig speciellt fördelaktiga. Uppfinningens ytterligare särdrag och fördelarframgår av bifogade beskrivning av ett utföringsexempel.

Beskrivningen görs med hänvisning till bifogade ritningar.

Kort beskrivning av figurerna Figur 1 visar en delvis snittad komplett backventil, Figur 2 visar nedre delen av backventilen i snitt med ett alternativt backventilsäte, Figur 3 visar en i backventilen ingående backventílstomme delvis snittad, Figur 4 visar backventilstommen i figur 3 sedd i vyn IV-IV, Figur 5 visar ventilsätets stomme i figur 2 sedd uppifrån, Figur 6 visar ventilsätets stomme i figur 5 i snittet Vl-Vl, och Figur 7 visar ventilkäglan. 10 15 20 25 30 35 465 533 4 Beskrivningav ett utförlngsexempel Figur 1 visar en komplett backventil anordnad i en snabbkopplingsnippel 1 som är avsedd att kopplas till en icke-visad bränslepump med kopplingsdelen 3. Till nippeln 1 ansluts vidare en icke-visad bränsleledning till en förbränningsmotor genom påträdning på kopplingsdelen 2. Pumpen ska suga bränsle från en bränsletank och trycksätta bränslesystemets ledningar med bränslet. För att inte bränslet ska dränera tillbaka till bränsletanken efter avstängning av pumpen, innefattar snabbkopplingsnippeln en integrerad backventil 4. Denna har syftet att hålla kvar bränslet i bränsleledningarna så att motorn omedelbart kan återstartas efter motor/pumpavstängning samt att luftblåsebildningar förhindras i bränslesystemets ledningar. lnsprutningssystem för Ottomotorer är företrädesvis avpassade för insprutningsövertryck på 2.5-3.0 bar, och om en backventil med lågt tryckfall utnyttjas kan klenare och billigare pump användas. Om sfäriska eller kulformade ventílkäglor användes l backventilen, erhålles en backventil med lågt tryckfall, men som istället vid dessa förhållanden uppvisar stor instabilitet i det utbildade flödet. Då dessutom flödet utsättes för fluktuationer dels från bränslepumpens pumpelement och dels från sekventiell öppningav insprutningsmunstyckena, påverkas käglans instabilitet ytterligare. Bränslepumpen kan vara en kugghjulspump vilken dríves av en elmotor. Med ett driftvarvtal på pumpen runt 6000 rpm vid tomgångskörning av förbränningsmotorn och med 11 pumpelement på pumpen, så bibringas flödet en pulsning på drygt 1000 Hertz. Dessutom erhålles den överlagrade pulsnlngen från den sekventiella öppningen av bränsleinsprutningsmunstyckena.

Snabbkopplingsnippelns och sålunda backventilens hus 16 är företrädesvis tillverkat i ett enda stycke, för bränslesystem lämpligen av POM-plast. Genom att nippeln är vinklad kan en fjäderbelastad 6 backventil 4 enkelt monteras genom inloppet innan en mot inloppet ventilsätesbildande insats 8 fastsätts. Ventilsâtesstommen 8 kan företrädesvis även den tillverkas av POM-plast.

Själva ventilkroppen 25 utgörs av en gummikägla 25 som via ett distanselement 5 påverkas av en spiralfjäder 6 mot ett på lO 15 20 25 30 35 4:..

Os Ut G1 o: o: ventilsätesstommen 8 utbildat ventilsäte 11 och motsatt flödesriktningen F. Härigenom kan bränslet pumpas in i inloppet 9 och mot verkan av backventilen 4 nå utloppet 10, men vid omvänt flöde blockera backventilen 4 mot ventilsätet 11.

Distanselementet 5, vilket visas i figur 3 och 4, är i sin nedre del utformat med ett mot ventilkäglan 25 avpassat monteringsurtag 23. Ventilkäglan 25 (figur 7) vilken är tillverkad av ett bränsleresistent gummimaterial, är utbildad med en kopplingsdel 27 som medelst presspassning trycks fast i monteringsurtaget 23. För förbättrad fasthållning av ventilkäglans kopplingsdel 27 i monteringsurtaget 23 kan urtaget 23 vara utformat med i urtaget radiellt utstående greppflänsar 24, vilka griper in i gummikäglans kopplingsdel 27. För samverkan med backventilfjädern 6 är distanselementets 5 övre del på sin korsartade stomme utformad med en ansats 21 för centrering och styrning av spiralfjädern 6. För att förhindra bottning av fjädern vid ihoptryckning är distanselementets övre del förlängd så att en stoppklack 22 bildas. l enlighet med föreliggande uppfinning är backventilen 4 utformad med en bricka eller radiellt utåtstående fläns 7 mellan själva ventilkäglan 25 och distanselementet 5. En relativt Ventilkäglan radiellt utskjutande del av flänsen 7 bidrar då med en ökning av den mot flödet motstående arean på över 100 procent. Genom att genomströmningskanalen är utbildad med en nedströms ventilsätet belägen första borrning 13 i höjd med flänsen 7 vid ett stängt läge, som är så avpassad att dess diameter överstigerflänsdiametern med ett par procent, bildas en andra strypning 12 utöver strypningen mellan själva käglan 25 och ventilsätet 11. Denna strypning 12 har en konstant genomströmningsarea på en första del av backventilens 4 öppningsslag, varefter en successivt ökande genomströmningszon 14 vidtar under en andra del av slaget. Den successivt ökande genomströmningszonen 14 ökar genomströmningsarean så att vid en tredje och sista del av slaget en genomströmningsarea motsvarande eller överstigande backventilens 4 inloppsarea för inloppet 9 erhålls. Den succesivt ökande genom- strömmningszonen 14 kan antingen avslutas vid en i flödesriktningen bakre kant på ventilsätesstommen 8, visat i figur 1, eller övergå i en konstant genomströmmningzon 15 i ventilsätesstommen 8, visat i figur 2. 10 15 20 25 30 35 465 555 lett föredraget utföringsexempel med nominellt utbildat flöde mellan 120 och 150 liter per timme har de för uppfinningen kritiska detaljerna följande dimensioner: ventilkäglans diameter: 5 millimeter flänsdiameter: 7,2 millimeter inloppsdiameter: 4 millimeter diameter första borrning: 7,4 millimeter progressiv ökning till diameter: 8,8 millimeter.

Dessa värden medför att den andra strypningen mellan flänsen 7 och första borrningen 13 uppgårtill 17 procent av inloppsdiametern och att spalten i strypningen är 0,1 millimeter bred under den första delen av backventilens slag. En bit in på den andra delen av slaget erhålls samma genomströmningsarea som på inloppet, varefter vid tredje delen av slaget till slut ernås en ökning av genomströmningsarean på 60 procent.

Vid ett driftsfall för ett bränsleinsprutningssystem där flödet uppgår till 130 liter/tim och där tryckfallet över fullt öppnad backventil uppgårtill 0,2 bar, får en backventil med endast 7,0 millimeters flänsdiameter och övriga mått enligt ovan, genast de för backventiler typiska slagljuden då käglan studsar mot sätet. En ökning av flänsdiametern till 7,1 millimeter medför att oljudet börjar avta medan en flänsdiameter på föredragna 7,2 millimeter medför att backventilen blir tyst utan att käglan studsar mot sätet. Detta visar att den utbildade konstanta strypningen mellan flänsen och den första borrningen under första delen av slaget har stor betydelse för erhållandet av en tyst backventil vid pulserande flöde.

Företrädesvis bör areareduktionen i strypningen 12 relativt inloppet understiga 25 procent och/eller spaltbredden vara mindre än 0,15 millimeter. Areaökningen p g a flänsen 7 bör samtidigt även den vara av betydande mått dvs i storleksordningen 100 procent och lämpligen inom intervallet 70-150 procent. För att käglan iden föredragna utföringsformen ska tvingas bort från sätet på säkert avstånd, samverkar den första borrningen 13 med flänsen 7 på 20 procent av backventilens slaglängd eller effektiva arbetsslag. Beroende på backventilens dimensioner ska denna samverkan ske över en del av slaglängden omvänt proportionellt mot utbildat nominellt flöde genom backventilen och proportionellt mot spaltens bredd. Dock bör denna samverkan ske över minst 10 procent av käglans arbetsslag. 'lO 15 20 25 30 35 7 465 5553' Denna samverkande utformning av ventilkägla, fläns och ventilsäte medför att då flödet börjar utbildas, tvingas ventilkäglan 25 att lyfta från ventilsätet 11 till ett läge där flänsen ligger inom den successivt ökande genomströmningszonen 14. Vid fullt utbildat flöde kommer käglans fläns att finna ett jämviktsläge där den resulterande kraften från tryckfallet över backventilen 4 motsvarar kraften från fjädern 6. Detta jämviktsläge kan inträffa inom den successivt ökande genomströmningsarean 14 eller under sista delen av slaget vid borrningen 15. Fjädern ska givetvis avpassas för det tryckfall som erhålls vid det härför utbildade avsedda flödet så att det önskade jämvíktsläget erhålls.

En bidragande orsak till att den instabila backventilen med sfärisk ventilkägla inte ger upphov till oljud vid utbildat flöde då backventilens kägla 25 och fläns bibringas en rörelse mot ventilsätet, är att flänsen då går ner i första borrningen 13 och att den mellan flänsen 7 och ventilsätet 11 befintliga vätskevolymen då verkar som dämpfluidum.Denna vätskevolym bildar då en dämpande kudde som stoppar upp ventilkäglans 25 rörelse mot sätet 11 under det att det kvarvarande flödet som passerar strypkanalen 12 räcker till för att hålla käglan 25 från sätet 11.

Genom den föredragna utföringsformen kan en sfärisk kägelventil, vilken tätar mot ett konformat säte, utnyttjas med de fördelar som dessa ventiler uppvisar med avseende på tryckfall, respons och tätningsförmåga. Med den uppfinningsenliga backventilen erhålls en effektiv dämpning av käglans rörelse mot ventilsätet samt att vid utbildat pulserande flöde käglan ligger på tillräckligt avstånd från ventilsätet, så att en av flödespulsningen orsakad oscillation av käglan inte medför oljud.

Enbart en sfärisk kägla som samverkar med kanalväggarna ger inte lika stor säkerhetsmarginal mot uppkomst av oljud som uppfinningsföremålets kägla 25 och fläns 7. Detta då enbart en sfär har så lågt strömningsmotstånd att en liten negativ flödesfluktuation genast bibringar den fjäderbelastade käglan 25 en rörelse mot sätet som medför genomslag mot sätet. Vid den medvetna utformningen av käglan 25 och flänsen 7 erhålls en ventilkropp som i samverkan med kanalväggens 10 l5i 20 25 30 465 555 8 första borrning 13 bildar en strypningskanal 12 som effektivt förhindrar genomslag. len alternativ, icke-visad utföringsform kan den progressiva genomströmningszonen 14 i stället för linjärt ökande diameter på kanalväggen utgöras av i flödesriktningen löpande urtag, med i flödesriktningen ökande storlek, i en kanalvägg som annars har samma diameter som den första borrningen 13. Dessa urtag är då lämpligen fördelade symmetriskt i omkretsled över kanalväggen så att käglan inte kommeri obalans i tvärled. Urtagen ska dock inte börja förrän efter den första delen av backventilslaget.

Själva backventilen kan även tillverkningsmässigt ges annan sammansättning än den förevisade utföringsformen i överensstämmelse med uppfinningsföremålet. Det flänsen bildande utsprånget 7 på distanselementet 5 kan givetvis utgöras av en lös bricka som vid montering kläms fast mellan distans och kägla. Den backventilen pâverkande spiralfjädern 6 kan även alternativt placeras mellan ett icke- rörligt distanselement 5 som anligger permanent mot snabbkopplingsnippelns inre vägg och en axiellt rörlig sammansatt kägla och bricka.

Företrädesvis tillverkas komplett backventil, bortsett från fjäder 6 och ventilkägla 25, av PDM-plast. Distanselementet förmonteras då lämpligen med kägla och fjäder, varefter denna som en enhet kan skjutas in i inloppet 9. Monteringen avslutas med att ventilsätesstommen 8 träs in i inloppet och företrädesvis svetsas ihop med ventilhuset 16 genom ultraljudsvetsning. För denna svetsning är ventilstommen 8 utformad med en i kontaktytan utformad ås 17, som vid svetsningen deformeras plastiskt mot ventilhusets motsvarande konta ktyta.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 9 465 553' PATENTKRAV

1. Backventil (4) bestående av en mot ett ventilsäte (11) anliggningsbar åtminstone delvis sfärisk ventilkägla (25) anordnad i en genomströmningskanal som förbinder ett inlopp (9) och ett utlopp (10), i vilken kanal en fjäder (6) bringar käglan (25) till tätande anliggning mot ventilsätet (1 1) runt inloppet (9) och mot flödesríktningen genom backventilen och där käglan (25) på sitt i flödesriktningen bakre parti är utbildad med en tvärs flödesriktningen riktad fläns vars diameter överstiger diametern på käglans (25) sfäriska del, k ä n n e t e c k n a d a v att kanalens vägg (13) är så utformad att denna bildar en strypningsspalt (12) mellan flänsens ytterkanter och kanalväggen, vilken spalt under en första del av käglans (25) öppningsslag har en viss flödesarea medan denna spalt under en senare del av käglans öppningsslag har en successiv ökande flödesarea.

2. Backventil enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att strypningsspalten (12) är anordnad symmetriskt runt flänsen (7) och käglan (25).

3. Backventil enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att strypningsspalten är utbildad över minst 1D procent av käglans slaglängd och företrädesvis omkring 20 procent.

4. Backventil enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att strypningsspalten under den första delen av käglans (25) öppningsslag ger en flödesrestriktion så att flödesarean förbi strypningsspalten (12) är mindre än 25 procent av flödesarean genom backventilens inlopp (9).

5. Backventil enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d a v att strypningsspalten ger en konstant flödesarea under den första delen av käglans öppningsslag varefter den successiva ökningen av flödesarean tar vid under en andra del av öppningssslaget så att minst 100 procent av inloppets (9) flödesarea erhålls vid fullt öppnad backventil. 465 sas m

6. Backventil enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att käglans (25) fläns (7) har en diameter som överstiger diametern på käglans sfäriska del med minst 30 procent.

7. Backventil för ett utbildat nominellt flöde mellan 100 och15O liter pertimme enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att strypningsspalten (12) ger en flödesarea understigande tre kvadratmillimeter.

8. Backventil enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att strypningsspaltens (12) flödesarea är väsentligen 25 procent av inloppets (9) flödesarea.