Ventilausbildung für Steuerventile
Die Erfindung betrifft eine Ventilausbildung für Steuerventile gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ventilausbildungen der vorgenannten Art sind aus der Praxis bekannt. Entsprechend den bei Einspritzsystemen für Brennkraftmaschinen, insbesondere Speicherdruck- Einspritzsystemen zu beherrschenden, sehr hohen Drücken bis in die Größenordnung von 2000 bar ergeben sich auch für die Steuerventile wachsende Probleme, da die zwischen Hoch- und Niederdruckseite liegenden Ventile mit ihren von der Hochdruckseite angeströmten Sperrgliedern sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Insbesondere führt das Druckgefälle zwischen Hoch- und Niederdruckseite in der Drosselstelle zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten mit der Tendenz der Kavitation der Strömung mit zunehmendem Druckabfall im Austrittsbereich auf das Sperrglied, wobei sich beim Auftreffen auf das Sperrglied wegen der damit verbundenen Umlenkungen und Strömungsverzögerungen wieder ein Druckanstieg ergibt. Dieser begünstigt ein Implodieren der Kavitationsblasen im Sitzkontaktbereich des Sperrgliedes und der Sitzfläche des Ventilsitzes und verursacht entsprechende Kavitationserosion. Betroffen sind hiervon mit dem Sperrglied und dem Ventilsitz jene Bereiche, die funktionsbedingt auch höchsten mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, so beispielsweise durch schlagartige Beaufschlagung beim Auftreffen des Sperrgliedes auf den Ventilsitz und durch die Ausrichtung des Sperrgliedes gegenüber der Sitzfläche bei der mit dem Schließvorgang verbundenen Zentrierung des Sperrgliedes gegenüber der Sitzfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilausbildung der eingangs genannten Art hinsichtlich der angesprochenen Probleme zu verbessern und insbesondere die Gefahr der Kavitationserosion bei derartigen Ventilausbildungen zu reduzieren.
Gemäß der Erfindung wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht, wobei von dem Gedanken Gebrauch gemacht wird, durch gestuften Druckabbau die Voraussetzungen für die Kavitation weitgehend zu beseitigen. Hierzu ist vorgesehen, dass, bezogen auf die Schließlage des Sperrgliedes, dem Sperrglied angrenzend an die Sitzkontaktzone ein gegen die Niederdruckseite abgegrenzter und zur Niederdruckseite in gedrosselter
Verbindung stehender Aufnahmeraum zugeordnet wird. Die Begrenzung dieses Raumes gegenüberliegend zur Sitzkontaktzone kann zweckmäßigerweise gleichzeitig eine Führung für das Sperrglied sein, und/oder als Drosselstelle dienen, so dass sich die angestrebte gestufte Drosselung auch baulich mit einfachen Mitteln und mit geringem Aufwand realisieren lässt.
Das Sperrglied kann im Rahmen der Erfindung ein unabhängiges Bauteil sein, oder auch mit dem ihm zugeordneten Stellbewegungsübertrager verbunden sein, wobei als Stellbewegungsübertrager Druckstempel mit bezogen auf ihre Länge verhältnismäßig geringem Durchmesser dienen können, so dass die wechselseitige Ausrichtung auf die Sitzfläche über den Druckstempel nicht beeinträchtigt wird.
Dient die der Sitzfläche gegenüberliegende Raumabgrenzung des zweiten, ablaufseitigen Drosselbereiches gleichzeitig als Führung für das Sperrglied, so kann damit auch eine Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im Übergang von der ersten Drosselstrecke auf das Sperrglied erreicht werden, die sich ebenfalls auf die Verminderung oder Vermeidung der Kavitation der Strömung bzw. der Kavitationserosion als zweckmäßig erweist.
Als Sperrglieder können im Rahmen der Erfindung Vollkugeln, Kugelsegmente oder auch sich in Richtung auf die Sitzfläche verjüngende Ventilkörper Verwendung finden, wobei insbesondere für kugelige, und vor allem für vollkugelige Sperrglieder eine Führung zweckmäßig ist.
Im Hinblick auf die Realisierung unterschiedlicher, gedrosselter Verbindungen des das jeweilige Sperrglied zumindest teilweise umgrenzenden Aufnahmeraumes zur
Niederdruckseite können sich Ventilsitze in sphärischer bzw. kalottenförmiger Ausbildung oder auch in kegeliger Ausbildung, insbesondere in flachkegeliger Ausbildung als zweckmäßig erweisen, so dass sich verschiedene Drosselwege, gegebenenfalls auch kombiniert, realisieren lassen, und dies unabhängig von der jeweiligen Art der Ausbildung des die Führung bildenden Teiles, wobei dies gegebenenfalls auch als Blende gestaltet sein kann.
Konstruktiv kann es hierfür zweckmäßig sein, Sitzfläche und auf die Sitzfläche folgenden Führungsteil getrennten Bauelementen zuzuordnen, so beispielsweise den Führungsteil, im Sinne der vorstehend angesprochenen Blende oder auch im Sinne einer zylindrischen Führung, einer Deckplatte zuzuordnen, die an eine den Ventilsitz enthaltende Ventilplatte anschließt, wobei zwischen Deckplatte und Ventilplatte gegebenenfalls als Drosselstellen dienende Kanalverbindungen angeordnet werden können.
Die Erfindung ermöglicht es mit einfachen Mitteln auch, den Drosselquerschnitt des durch die Führung abgegrenzten Raumes vom Hub des Sperrgliedes abhängig zu machen, also eine hubabhängig im Querschnitt veränderliche Drosselverbindung zu schaffen, wobei die entsprechenden Querschnittsveränderungen auch durch entsprechende Formgebung für den Stellbewegungsübertrager in Form eines Betätigungsstößels oder Druckstempels und/oder das Sperrglied realisiert werden können.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematisierter Schnittdarstellung das Steuerventil eines
Einspritzinjektors, zwischen dessen Düsenteil und einem gegenüberliegend zu diesem angeordneten Magnetsteller das
Steuerventil liegt, wobei der Magnetsteller am Steuerventil einen hubbeweglichen Stellbewegungsübertrager für das Sperrglied beaufschlagt, das einen gedrosselten Zulauf von einem Druckraum steuert, mit dem die hochdruckseitig über das Einspritzmedium in Öffnungsrichtung beaufschlagte Düsennadel der Einspritzdüse mit einer Beaufschlagungsfläche in Verbindung steht, über die bei im Druckraum anstehenden Druck die Düsennadel ergänzend zur Schließfeder in Schließrichtung belastet ist, Figur 2 eine Ausschnittsvergrößerung A eines Bereiches der Figur 1, die den das Sperrglied beaufschlagenden Stellbewegungsübertrager und den zugehörigen Bereich des Ventilsitzes zeigt, Figur 3 eine der Figur 2 entsprechende, erfindungsgemäße Ausgestaltung von
Sperrglied und zugeordnetem Ventilsitzbereich,
Figur 4 einen Schnitt gemäß IV-IV in Figur 3 in schematisierter Darstellung,
Fig. 5 und 6 weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen in einer der Figur 4 entsprechenden Darstellung, wobei analog zu Figur 4 das Sperrglied zwischen zugehöriger Sitzfläche und axial beabstandeter Führung einen Drosselraum mit vom Sitzflächenbereich des Stellgliedes abzweigenden Drosselbohrungen oder Drosselkanälen aufweist, Figur 7 eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung, bei der die
Drosselquerschnitte in den radialen Führungsbereich des axial beweglichen Sperrgliedes gelegt sind, Figur 8 eine Schnittdarstellung gemäß Linie Vll-Vll,
Figur 9 eine weitere erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die
Drosselquerschnitte in Abhängigkeit vom Hub des Sperrgliedes veränderlich sind, und Figur 10 eine schematisierte Schnittdarstellung gemäß Linie X-X in Figur 9.
In Figur 1 ist das Steuerventil 1 eines nicht weiter dargestellten Einspritzinjektors veranschaulicht, über das das dem Einspritzinjektor zugehörige Einspritzventil angesteuert ist. Die hochdruckseitige Zulaufverbindung auf das Steuerventil 1 ist durch den Pfeil 2 veranschaulicht. Der Zulauf erfolgt über eine in einer Ventilplatte 3 vorgesehene Bohrung 4, die über eine Drosselstelle 5 auf einen Ventilsitz 6 ausmündet.
Der Ventilsitz 6 verjüngt sich in Richtung auf die Bohrung 4, also entgegen der Anströmrichtung gemäß Pfeil 2 und es ist dem Ventilsitz 6 ein Sperrglied 7 zugeordnet, das hubbeweglich (Pfeil 8) abgestützt ist. Die Abstützung des Sperrgliedes 7 erfolgt im Ausführungsbeispiel (Figur 1) über einen Stellbewegungsübertrager 9, der als im
Durchmesser stabförmiger, dünner Betätigungsstößel ausgebildet ist und der bezogen auf das Steuerventil 1 zur Anströmrichtung gemäß Pfeil 2 gegenüberliegend über einen hier nicht dargestellten Magnetsteller des Einspritzinjektors beaufschlagt und verstellbar ist.
In der Schließlage sitzt das Sperrglied 7 in einer Sitzkontaktzone 10 auf dem Ventilsitz 6 auf, an den niederdruckseitig eine Bohrung 11 in der Ventilplatte 3 anschließt, in die das über den Stellbewegungsübertrager 9 abgestützte Sperrglied 7 eintaucht und die, bezogen auf Figuren 1 und 2, einen Teil des niederdruckseitigen Abströmweges bildet, der, wie in
Figur 1 ersichtlich, sich in Querkanälen 12 fortsetzt, die zwischen Ventilplatte 3 und Gehäuse 13 des Steuerventiles 1 liegen, wobei im Ausführungsbeispiel die Ventilplatte 3 gegen das Gehäuse 13 über einen Spannring 14 zentriert und fixiert ist.
In Verbindung mit den hochdruckseitig anstehenden hohen Drücken ergeben sich, bezogen auf die nicht dargestellte Öffnungslage des Sperrgliedes 7, beim Durchströmen der Drosselstelle 5 sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die mit dem Übertritt des Strömungsmediums auf die Niederdruckseite aufgrund des Druckabfalles eine Kavitation der Strömung nach sich ziehen können, wobei die Kavitationsblasen beim Auftreffen auf das Sperrglied 7 und die örtlich damit verbundene Umlenkung und Strömungsverzögerung implodieren können, was an Sperrglied 7 und Ventilsitz 6 zur Kavitationserosion führen kann.
Hier setzt die Erfindung an, wie sie anhand der nachstehenden Figuren 3 bis 9 erläutert ist, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen Verwendung finden.
Figur 3 veranschaulicht, dass das in den Ausführungsbeispielen als Kugelsegment ausgebildete Sperrglied 7 einen auf die Bohrung 11 abgestimmten Durchmesser aufweist, derart, dass sich in der zur Sitzkontaktzone 10 parallelen Mittelebene 15 des Sperrgliedes 7 eine radiale Führung durch die Bohrung 11 ergibt, die zwar die Hubbeweglichkeit - entsprechend dem Pfeil 8 - des Sperrgliedes 7 im Sinne einer reibungsarmen Gleitführung zulässt, infolge der als Spaltdichtung dienenden Führung aber nachgeordnet zur Sitzfläche 10 einen Raum 16 abgrenzt, von dem aus die Verbindung zur Niederdruckseite gedrosselt folgt. Diese gedrosselte Verbindung ist in Figur 3 über Bohrungen 17 veranschaulicht, die angrenzend an den Ventilsitz 6 auf den Raum 14 ausmünden und die zur Hubachse 18 des Stellbewegungsübertragers 9 radial verlaufen.
Im Übergang von der Hochdruckseite (Pfeil 2) zur Niederdruckseite - symbolisiert in Figur 3 durch die Pfeile 19 - folgen somit zwei Drosselstellen aufeinander, so dass sich ein gestufter Druckabbau mit entsprechend geringerem Druckgefälle an der Drosselstelle 5 in der Anströmung auf das Sperrglied 7 ergibt, wodurch die Verhältnisse im Hinblick auf das Auftreten von Kavitationserosion wesentlich entschärft werden.
Die vorgesehene Axialführung für das Sperrglied 7, durch die der Drosselraum 16 zwischen Sitzfläche 10 bzw. Drosselstelle 5 und nachgeordneten Drosselbohrungen 17 abgegrenzt wird, trägt des weiteren auch dazu bei, dass das Sperrglied 7 auch in seiner vom Ventilsitz 6 abgehobenen Lage eine seiner Sperrlage entsprechende Zentrierung beibehält, was zur Stabilisierung der Anströmverhältnisse auf das Sperrglied 7 und der
Umströmungsverhältnisse bezüglich des Sperrgliedes 7 beiträgt und auch die mechanischen Beanspruchungen zwischen Sperrglied 7 und Ventilsitz 6 dadurch reduziert, dass Abweichungen in der Achslage zumindest weitgehend vermieden werden.
Die zentrierende Führungsfunktion für das Sperrglied 7 erweist sich als zweckmäßig, wenn das Sperrglied 7 mit dem Stellbewegungsübertrager 9 fest verbunden ist, oder, ohne zentrierende Verbindung zu diesem, über diesen nur beaufschlagt ist. Ferner erweist sich die Führungsfunktion als zweckmäßig in Verbindung mit vollkugeligen Sperrgliedern, oder auch als Kugelsegment ausgebildeten Sperrgliedern, wobei im Ausführungsbeispiel ein Kugelsegment als Sperrglied 7 vorgesehen ist. Anstelle kugeliger Sperrglieder 7 können auch sich in Richtung auf den Ventilsitz verjüngende, insbesondere konische oder kegelige Sperrglieder 7 vorgesehen sein.
Figuren 5 und 6 stellen Lösungen dar, die funktional dementsprechend, was anhand der Figuren 3 und 4 erläutert wurde. Im konstruktiven Aufbau unterscheiden sie sich von der Lösung gemäß Figuren 3 und 4 durch die Art der Realisierung der Verbindung des Drosselraumes 16 zu Niederdruckseite über entsprechende Drosselbohrungen oder Drosselkanäle, wobei in der Ausgestaltung gemäß Figur 5 Drosselkanäle 20 vorgesehen sind, die ausgehend vom Drosselraum 16 auf die Niederdruckseite (Pfeil 19) ausmünden, wobei in Figur 5 die Drosselkanäle dadurch gebildet sind, dass eine Ventilplatte 21 vorgesehen ist, der eine Deckplatte 22 zugeordnet ist, wobei Ventilplatte 21 und Deckplatte 22 zwischen ihren einander zugewandten Flächen Kanäle 20 bilden, die in die Deckplatte 22, in die Ventilplatte 21 oder auch in beide Platten eingearbeitet sind und die in der Teilungsebene 23 der beiden Platten verlaufen. Die Teilungsebene 23 entspricht der Schnittebene zwischen der Bohrung 11 und dem konischen Ventilsitz 6, so dass die Bohrung 11 in der Deckplatte 22 verläuft und der Ventilsitz 6 in die Ventilplatte 21 eingearbeitet ist. Dies führt insgesamt zu einem vereinfachten Aufbau.
Figur 6 geht wiederum von einer Aufteilung in Ventilplatte 24 und Deckplatte 25 aus, wie sie anhand der Figur 5 erläutert wurde. Der Ventilsitz 26 ist auch hier in die Ventilplatte 24 eingearbeitet, die Bohrung 11 ist der Deckplatte 25 zugeordnet und durchsetzt diese, innerhalb des Durchmessers des Ventilsitzes 26 auf diesen ausmündend. Dementsprechend hat der sich in Anströmrichtung gemäß Pfeil 2 aufweitende Ventilsitz 26 einen radialen Überdeckungsbereich zur Deckplatte 25, wobei die Teilebene zwischen Ventilplatte 24 und Deckplatte 25 mit 27 bezeichnet ist und entgegen der Anströmrichtung 2 zur Mittelebene 15 des Sperrgliedes 7 versetzt ist, die axial im Bereich der Bohrung 11 liegt, so dass auch bei dieser Lösung die Führung für das Sperrglied 7 im Bereich der Bohrung 11, in Figur 5 im Bereich der Deckplatte 22, in Figur 6 in der Deckplatte 25 liegt. Dadurch, dass der Durchmesser der Bohrung 11 kleiner als der Durchmesser des konischen Ventilsitzes 26 im Bereich der Teilebene 27 ist, wird der Drosselraum 28 teilweise durch die der Ventilplatte 24 zugewandte Seite der Deckplatte 25 überdeckt, so dass auf den Drosselraum 28 die die Deckplatte 25 axial durchsetzenden Drosselbohrungen 30 ausmünden können. Die Erfindung zeigt also verschiedenste
Anschlussmöglichkeiten des jeweiligen Drosselraumes 16 bzw. 28 zur Niederdruckseite, so dass entsprechenden konstruktiven Anforderungen im Rahmen der Erfindung Rechnung getragen werden kann.
Eine weitere Möglichkeit der drosselnden Verbindung zur Niederdruckseite zeigen die Figuren 7 und 8, wobei auch hier eine Ausgangssituation gegeben ist, wie sie im grundsätzlichen Aufbau jener gemäß Figuren 3 bis 6 entspricht. Die Ventilplatte 31 weist als hochdruckseitigen Zulauf gemäß Pfeil 2 wiederum eine Bohrung 4 auf, die über eine Drosselstelle 5 zentrisch auf den Ventilsitz 6 ausmündet, der in der Schließlage des Sperrgliedes 32 über dieses abgedeckt ist. Als Sperrglied 32 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel ein Kugelsegment vorgesehen, dessen Mittelebene 15 zur Sitzkontaktfläche 10 parallel verläuft und das im Bereich der Mittelebene 15 axial verschieblich geführt und dichtend an der Wandung der Bohrung 33 anliegt, die als Führungsbohrung für das Sperrglied 32 an die Sitzfläche 6 anschließt und zur Sitzfläche 6 zusammen mit dem Sperrglied 32 den Drosselraum 34 abgrenzt. Abgestützt ist das Sperrglied 32 auch in diesem Fall über einen Stellbewegungsübertrager 9, der entsprechend dem Pfeil 8 hubbeweglich ist. Wie Figur 8 veranschaulicht, erfolgt die Verbindung des Drosselraumes 34 zur Niederdruckseite über im Umfang der Bohrung 33
vorgesehene, axial verlaufende Ausnehmungen, die mit 35 bezeichnet sind und die sich in Hubbewegungsrichtung (Pfeil 8) beiderseits der Mittelebene 15 erstrecken, derart, dass, analog zu den Drosselbohrungen 17 bzw. den Drosselkanälen 20 oder den Drosselbohrungen 28, unabhängig von der jeweiligen Hubstellung des Sperrgliedes 32 eine drosselnde Verbindung des Raumes 34 zur Niederdruckseite besteht. Hierzu kann es zweckmäßig sein, den als Stempel oder als Stellstange ausgebildeten Stellbewegungsübertrager 9 im Durchmesser kleiner als das Sperrglied 32 auszuführen, so dass sich die Einarbeitung weiterer Kanäle oder Bohrungen erübrigt.
Ausgehend von einer Grundgestaltung gemäß Figuren 7 und 8 zeigen Figuren 9 und 10 eine Ausbildung, bei der wiederum mit einem als Kugelsegment ausgebildeten Sperrglied 36 gearbeitet wird, das im Bereich seiner zur Sitzkontaktzone 10 parallelen Mittelebene 15 an die Wand der Bohrung 38 angrenzt, die als Führung für das Sperrglied 36 dient und gegenüber der und dem anschließenden Ventilsitz 6 das Sperrglied 36 den Drosselraum 37 abgrenzt. Diesem sind in Richtung auf die Niederdruckseite sich öffnende Abströmquerschnitte zugeordnet, die als Drosselquerschnitte in der Größe ihrer Querschnittsfläche von der Hubstellung des Sperrgliedes 36 abhängig sind. Diese hubveränderlichen Drosselquerschnitte sind durch Ausnehmungen 40 im Umfang der Drosselbohrung 39 gebildet, welche entsprechend dem gewünschten Drosselverhalten gestaltet sein können. So ist in den Figuren 9 und 10 als Beispiel eine Ausgestaltung veranschaulicht, bei der in der Schließlage des Sperrgliedes 36 die Ausnehmungen 40 über das Sperrglied 36 zumindest weitgehend abgesteuert sind und erst mit zunehmendem Öffnungshub freigegeben werden.
Im Rahmen der Erfindung sind somit vielfältige Möglichkeiten gegeben, einen gestuften Drosselübergang von der Hoch- zur Niederdruckseite bei Steuerventilen der beschriebenen Art zu realisieren, wobei sowohl im Hinblick auf Kavitationserosionen wie auch im Hinblick auf die mechanische Abnutzung von Sperrglied und Ventilsitz Lösungen geschaffen sind, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Steuerventiles verbessern.