Beschreibung

Titel

Druckausgeglichenes Schaltventil

Stand der Technik

Bei druckausgeglichenen Schaltventilen wird das unter Druck stehende Medium im geschlossenen Zustand üblicherweise in einer ringförmigen Druckkammer eingeschlossen. Diese Kammer ist auf der einen Seite durch eine Führung und auf der anderen Seite durch einen Dichtsitz begrenzt, wobei Führung und Dichtsitz exakt denselben Durchmesser d aufweisen. Dadurch entsteht keine in öffhungs- oder in Schließrichtung wirkende Kraft auf das Ventilelement, welches nadeiförmig oder hülsenförmig ausgebildet sein kann.

Mit fortschreitendem Betrieb des Schaltventiles kommt es zu einem Angleich zwischen der Dichtfläche des Ventilstücks und des nadeiförmig oder hülsenförmig ausgebildeten Ventilelementes. Da der Angleich, vom ursprünglichen Durchmesser d ausgehend, nur zu einer Seite hin erfolgt, ist eine Veränderung des wirksamen Sitzdurchmessers und damit die Erzeugung einer in öffnungsrichtung wirkenden Kraft auf das Ventilelement die Folge. Der Druckausgleich des Schaltventiles ist gestört und sein dynamisches Verhalten ändert sich bis hin zur statischen Undichtheit.

Bei druckausgeglichenen Schaltventilen steht üblicherweise nur eine geringe mechanische Kraft zur Verfügung, um das Ventil dicht zu halten. Bei fortschreitendem Verschleiß gleichen sich die Bauteile am Ventilsitz zunehmend an, und eine Kontaktbreite zwischen den Bauteilen nimmt zu. Solange dabei der Dichtdurchmesser am Ventilsitz noch dem Führungsdurchmesser entspricht, bleibt die Ventilfunktion erhalten. Entfernt sich der Dichtdurchmesser jedoch weg vom Führungsdurchmesser, so entsteht eine zusätzliche Druckstufe am Ventil, welche eine in öffnungsrichtung wirkende Kraft erzeugt. Dies kann dazu führen, dass sich bei zunehmendem Verschleiß (Sitzangleich) das Ventil ungewollt öffnet. Ins- besondere bei Schaltventilen für Hochdruckanwendungen spielt dabei die Verformung der Bauteile im geschlossenen Zustand durch die Druckbelastung, d.h. den im Bauteil herrschenden Systemdruck, eine große Rolle. Diese Verformung kann die Auswirkung des Sit- zangleiches massiv verstärken und somit zum frühzeitigen Ausfall des Ventiles durch stati-

sche Undichtheit fuhren. Aus Figur 1 geht der Mechanismus hervor, der bei fortschreitendem Verschleiß und Verformung aufgrund einer Druckwirkung zur Undichtheit des Schaltventils führt.

Aus DE 100 08 554 Al ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt, welches eine erhöhte Dichtigkeit aufweist. Das Kraftstoffeinspritzventil umfasst wenigstens zwei Ventilkörperteile, die an je einer Anlagefläche aneinander anliegen und durch eine Spannvorrichtung gegeneinander senkrecht zur Anlagefläche verspannt sind. In beiden Ventilkörperteilen ist ein Zulauf für Kraftstoff ausgebildet, der durch die Anlageflächen hin- durchtritt und in dem ein hoher Kraftstoff druck herrscht. Im Zulaufkanal ist wenigstens eine radiale Erweiterung nahe der Anlagefläche des betreffenden Ventilkörperteiles ausgebildet, so dass diese radiale Erweiterung durch den Kraftstoffdruck im Zulaufkanal eine Aufweitung in axialer Richtung des Zulaufkanals erfährt. Dadurch wird der den Durchtritt des Zu- laufkanales umgebende Bereich der Anlagefläche an die Anlagefläche des anliegenden Ven- tilkörperteils gepresst, so dass sich der Anpressdruck der Anlageflächen erhöht. Damit ist der Durchtritt des Zulaufkanales aufgrund der höheren Dichtwirkung besser abgedichtet, oder es kann die Kraft der Spannvorrichtung entsprechend reduziert werden, ohne die für die Dichtung erforderliche Anpressung zu beeinträchtigen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein druckausgeglichenes Schaltventil vorgeschlagen, bei welchem eine Kompensation beziehungsweise Reduktion der aufgrund der Wirkung des Systemdrucks herrschenden Verformung erreicht wird. Durch die Kompensation beziehungsweise Reduktion der Verformung des Schaltventiles durch den in diesem herrschenden Hochdruck liegt der Dichtdurchmesser des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltventiles trotz sich einstellenden Verschleißes immer am Führungsdurchmesser. Dadurch kann statische Undichtheit vermieden werden und eine sichere Ventilfunktion trotz sich einstellendem mechanischen Verschleiß und damit einhergehendem Sitzangleich gewährleistet werden.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Geometrie des Ventilelementes, insbesondere im Bereich von dessen Ventilsitz, bezieht sich auf eine Sitzkontur, die bei Erhöhung des Druckes, d.h. Beaufschlagung des Ventilelementes mit dem Systemdruck, den Sitzbereich derart verformt, dass sich die Flächenpressung im Ventilsitz auf dessen Innenkante konzentriert. Da- durch wird das Abrollen des Sitzdurchmessers nach außen kompensiert. Dies wiederum bewirkt, dass keine zusätzliche Druckstufe im Bereich des Ventilsitzes, insbesondere am Ventilelement, ausgebildet wird, an welchem sich eine in öffnungsrichtung des Ventilele-

mentes wirkende Kraft einstellen würde, so dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltventil dauerhaft dicht bleibt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung des Schaltventils insbesondere im Bereich des Ventilelementes in dessen Ventilsitz zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Hochdruckseite, d.h. der mit Systemdruck beaufschlagten Seite des Ventilelementes, eine radiale Erweiterung, so zum Beispiel eine Kompensationsnut, bevorzugt in einem Radius R _N im Führungsbereich des Ventilelementes an einer Ventilführung angebracht wird. Diese bevorzugt als Kompensationsnut in einem Radius R _N gefertigte radiale Erweiterung befindet sich in der Nähe des Ventilsitzes in einem Abstand A _N . Die radiale Erweiterung verformt sich bei Beaufschlagung mit Systemdruck derart, dass die Ventilsitzlinie der Führung verkippt.

Durch die Beaufschlagung der im Ventilelement an dessen Innenseite ausgebildeten radialen Erweiterung bevorzugt in Form einer Kompensationsnut wird der Sitzwinkel des Ventilele- mentes bei anliegendem Systemdruck p _sys derart verändert, dass das Ventilelement auf die Innenkante kippt. Damit bewegt sich der Dichtdurchmesser entlang der Innenseite des hül- senförmig ausgebildeten Ventilelementes und dichtet auf dessen Führungsdurchmesser.

Durch die Formgebung der bevorzugt als Kompensationsnut gefertigten radialen Erweite- rung wird erreicht, dass das Maximum der Flächenpressung in der radialen Erweiterung im Ventilelement gerade an der Stelle liegt, von der in einem Abstand A _N die Sitzkante ausgebildet ist. Durch die Beaufschlagung der Sitzkante mit maximaler Flächenpressung und das Wandern der Sitzkante entlang des Innendurchmessers, d.h. des Führungsdurchmessers des die Ventilführung umgebenden Ventilelementes, wird erreicht, dass der Dichtdurchmesser mit dem Führungsdurchmesser des hülsenförmig ausgebildeten Ventilelementes an der Ventilführung zusammenfällt. Der aus den Lösungen gemäß des Standes der Technik bekannte Sitzangleich beziehungsweise das Abrollen aufgrund von Unterwanderung des Ventilsitzes mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff kann durch die ergriffenen Maßnahmen wirksam ausgeschlossen werden. Die ergriffene Maßnahme, d.h. das Anbringen einer radialen Erwei- terung an der Innenseite des Ventilelementes, kann, dem Gedanken der kinematischen Umkehr folgend, auch an der Ventilführung vorgenommen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 ein druckausgeglichen ausgebildetes Schaltventil,

Figur 2 einen Sitzbereich bei Beaufschlagung mit Systemdruck im Neuzustand,

Figur 3 den Sitzbereich gemäß Figur 2 im verschlissenen Zustand,

Figur 4 ein Ventilelement des druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles mit radialer Erweiterung im drucklosen Zustand und

Figur 5 das in Figur 4 in drucklosem Zustand dargestellte Ventilelement im druckbeaufschlagten Zustand.

Ausführungsformen

Figur 1 zeigt in schematischer Weise ein Schaltventil 10, das symmetrisch zur Symmetrieachse 12 ausgebildet ist. Bei dem Schaltventil 10 handelt es sich um ein nach außen öffnendes Schaltventil 10, d.h. ein hülsenförmig ausgebildetes Ventilelement 16 ist an einer Ventilführung 22 aufgenommen. Zwischen der Innenseite des hülsenförmig ausgebildeten außenliegenden Ventilelementes 16 und der Ventilführung 22 ist ein Hochdruckraum 14 ausgebil- det, der über eine in Figur 1 nicht dargestellte Hochdruckquelle mit unter Systemdruck p _sys stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Das Ventilelement 16, welches in einer Führungslänge 20 an der Ventilführung 22 geführt ist, verschließt oder öffnet einen Sitz 18, der in der Darstellung gemäß Figur 1 untenliegend am Ventilkörper 22 angeordnet ist. Die nachstehend erläuterten erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen können an jedwedem druckausgeglichenen Schaltventil 10 vorgenommen werden, die Darstellung des nach außen öffnenden Schaltventils 10 gemäß Anspruch 1 ist rein beispielhaft zu verstehen. Sowohl das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 16 als auch die Ventilführung 22 sind symmetrisch zur Symmetrieachse 12 ausgebildet. Bei dem in Figur 1 dargestellten Schaltventil 10 handelt es sich um ein solches, bei dem sich der Ventilsitz 18 unterhalb des außenliegend angeord- neten Ventilelementes 16 befindet. Das Ventilelement 16 ist in der Führungslänge 20 verschiebbar an der Ventilführung 22 geführt. Der Führungsdurchmesser, d.h. der Innendurchmesser des Ventilelementes 16 sowie der Außendurchmesser der Ventilführung 20 ist durch Bezugszeichen 64 bezeichnet.

Figur 2 zeigt die Darstellung des Sitzbereiches bei einem Schaltventil im Neuzustand.

Aus der mit stark überzeichneten Verformungen wiedergegebenen Figur 2 geht hervor, dass der Hochdruckraum 14 bei Druckbeaufschlagung mit dem Systemdruck p _sys einerseits durch

eine Bodenfläche 42 des Hochdruckraums 14 und andererseits durch eine Innenseite 40 des Ventilelementes 16 begrenzt wird. Die Innenseite 40 des außenliegend angeordneten Ventilelementes 16 weist eine Sitzkante 24 auf, welche mit einer komplementär ausgebildeten Kante, die an der Ventilführung 22 ausgebildet ist, den Sitz 18 bildet. Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass sich beginnend mit der Sitzkante 24 dem Sitzwinkel folgend ein Sitzangleich 26 eingestellt hat. Innerhalb dieses durch Bezugszeichen 26 identifizierten Bereiches, d.h. des Sitzangleiches, liegen die einander kontaktierenden Flächen von Ventilelement 16 und Ventilführung 22 beziehungsweise dessen Boden 42 aneinander an. Durch die Pfeile ist der auf die Innenseite 40 beziehungsweise den Boden 42 der Ventilfüh- rung 22 wirkende Systemdruck p _sys bezeichnet.

Figur 3 zeigt den Sitzbereich des Schaltventiles gemäß der Darstellung in Figur 2 in verschlissenem Zustand nach längerer Betriebszeit.

Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass ausgehend von dem in Figur 2 dargestellten Sitzangleich 26, d.h. den einander kontaktierenden Seiten des Ventilelementes 16 und der Ventilführung 22 im Bereich des Sitzes 18, die Sitzkante 24 einer Druckunterwanderung 30 ausgesetzt ist. Damit wandert der Sitzdurchmesser in radiale Richtung nach außen, eine Rollfläche 32 bildend. In radiale Richtung außenliegend gesehen befindet sich hin- ter der Rollfläche 32 die Stelle, an der eine maximale Pressung 34 vorliegt. Diese Sitzlinie hat sich im Vergleich zur ursprünglichen Sitzkante 24 weiter in radiale Richtung nach außen geschoben. Aufgrund der Druckunterwanderung 30 der Sitzkante 24 an der Unterseite des hülsenförmig ausgebildeten außenliegenden Ventilelementes 16 wird eine zusätzliche Druckstufe gebildet, welche eine in öffnungsrichtung auf das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 16 wirkende Kraft liefert, welche ein ungewolltes öffnen des Ventilelementes 16 begünstigt, wodurch dieses Schaltventil nach längerer Betriebszeit aufgrund der geschilderten Effekte und des aufgetretenen mechanischen Verschleißes nicht mehr zuverlässig dichtet.

Der Darstellung gemäß Figur 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen, druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles zu entnehmen, wobei insbesondere das außenliegend angeordnete Ventilelement im drucklosen Zustand dargestellt ist.

Wie aus Figur 4 hervorgeht, weist das hülsenförmig ausgebildete, außenliegende Ventilele- ment 16, welches - wie in Figur 1 dargestellt - an der Mantelfläche der innenliegenden Ventilführung 22 entlang der Führungslänge 20 geführt ist, eine Innenseite 40 auf. Im hülsen- förmigen Ventilelement 16 ist die Innenseite 40 in einem Führungsdurchmesser 64 ausgebildet, welcher dem Außendurchmesser der Mantelfläche der Ventilführung 22 im Wesentli-

chen entspricht. An der Innenseite 40 des Ventilelementes 16 befindet sich eine radiale Erweiterung 48. Die radiale Erweiterung 48 ist in der Darstellung gemäß Figur 4 als Kompensationsnut beschaffen und im Radius R _N , vergleiche Bezugszeichen 50, ausgebildet. Unter Berücksichtigung der Festigkeitseigenschaften und unter Berücksichtigung des in der radia- len Erweiterung 48 anliegenden Systemdruckes p _sys kann die Nut auch abweichend von der Idealform als Ringnut in eckigem Durchmesser, so zum Beispiel als Rechtecknut, unter Berücksichtigung der entstehenden Kerbwirkung gefertigt werden. Entscheidend ist, dass durch die Geometrie der radialen Erweiterung 48, die insbesondere als Kompensationsnut mit gerundetem Nutgrund ausgebildet wird, eine Konzentration der sich einstellenden Flä- chenpressung an der Innenseite 40 des Ventilelementes 16 erzielt wird. Wie in der Darstellung gemäß Figur 4 gezeigt, befindet sich unterhalb der unteren Kante der radialen Erweiterung 48 in einem Abstand A _N , vergleiche Bezugszeichen 46, die Sitzkante 24. Von der Sitzkante 24 verläuft der in Figur 2 mit Bezugszeichen 26 bezeichnete Sitzangleichsbereich 26, innerhalb dessen es zu einem Kontakt zwischen der Unterseite des Ventilelementes 16, aus- gebildet im Sitzwinkel, und der entsprechenden Seite der Ventilführung 22 unter Ausbildung des Sitzes 18 kommt.

Wie aus der Darstellung gemäß Figur 4 weiter hervorgeht, ist das hülsenförmig ausgebildete, außenliegende Ventilelement in Richtung des Doppelpfeiles 44 verfahrbar. Bei vertikaler Bewegung nach oben öffnet das hülsenförmig ausgebildete, außenliegende Ventilelement 16 den Sitz 18; bei einem Verfahren nach unten verschließt das außenliegende Ventilelement 16 mit seiner Sitzkante 24 den Sitz 18 zwischen der Ventilführung 22 und dem hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelement 16.

Während in der Darstellung gemäß Figur 4 das hülsenförmig ausgebildete, außenliegende Ventilelement 16 im drucklosen Zustand dargestellt ist, verformt sich dieses bei Beaufschlagung mit dem Systemdruck p _sys ausgehend vom Hochdruckraum 14 zwischen Ventilelement 16 und Ventilführung 22 bei geschlossenem Sitz 18, wie in der Darstellung gemäß Figur 5 genauer gezeigt.

Aus der Darstellung gemäß Figur 5 geht hervor, dass im drucklosen Zustand - angedeutet durch die gestrichelten Linien, vergleiche Bezugszeichen 52 - die radiale Erweiterung 48 ihr ursprüngliches unverformtes Aussehen - wie in Figur 4 dargestellt - aufweist.

Da die radiale Erweiterung 48 innerhalb des Hochdruckraumes 14 zwischen der Ventilführung 22 und der Innenseite 40 des hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 Systemdruck p _sys beaufschlagt wird, verformt sich die radiale Erweiterung 48, bevorzugt als ringförmige Kompensationsnut ausgebildet, wie in Figur 5 dargestellt. Im in

durchgezogenen Linien dargestellten druckbeaufschlagten Zustand 54 erfährt die radiale Erweiterung 48 eine Aufweitung 60, d.h. aufgrund des an der Begrenzungsfläche der radialen Erweiterung 48 anstehenden Systemdruckes wandern die Begrenzungskanten der radialen Erweiterung 48 an der Innenseite 40 des hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 voneinander weg, die radiale Erweiterung 48 weitet sich auf. Aufgrund dieses Umstandes bewegt sich die untere Begrenzungskante der radialen Erweiterung 48 in vertikale Richtung nach unten. Infolgedessen wandert die im Abstand 46 A _N von dieser entfernt liegende Sitzkante 24 an der Innenseite 40 weiter nach unten, d.h. die Sitzkante 24 verkippt um einen in Figur 5 angedeuteten Verkippungswinkel α. Die Verkippung des Ven- tilelementes 16 selbst ist durch Bezugszeichen 56 angedeutet. Mit der Verkippung der Sitzkante 54 zur Innenseite 40 des hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 hin erfährt auch der Sitzwinkel eine änderung. Durch die Aufweitung 60 der radialen Erweiterung 48 wird der Sitzwinkel bei anliegendem Systemdruck p _sys , wie in Figur 5 dargestellt, so verändert, dass das hülsenförmig ausgebildete, außenliegende Ventilelement 16 auf die Innenseite kippt und damit auf dem Führungsdurchmesser 64, d.h. dem Innendurchmesser des hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 dichtet.

Durch die in Figuren 4 und 5 dargestellte Geometrie des Ventilsitzbereiches des hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 wird eine derartige Verformung er- reicht, dass sich die Flächenpressung an der Innenseite 40 des Ventilelementes 16 auf die Innenkante des Sitzes 18 konzentriert. Dadurch wird ein in Figur 3 dargestelltes Abrollen des Sitzdurchmessers in radiale Richtung nach außen kompensiert, d.h. die Ausbildung der in Figur 3 dargestellten Rollfläche 32 unterbleibt ebenso wie eine Druckunterwanderung 30 des Sitzes von dessen Innenseite, d.h. von dem mit Systemdruck p _sys beaufschlagten Be- reich.

Aufgrund des Umstandes, dass bei einer Aufweitung 60 der radialen Erweiterung 48, die bevorzugt als Kompensationsnut gefertigt wird, eine Konzentration der Flächenpressung an der Innenseite 40 des Ventilelementes 16 erfolgt, wird an der Innenseite des Ventilelementes 16 maximale Axialkraft erzeugt.

Wie in Figur 5 dargestellt, verkippt eine Ventilsitzlinie 62 der Führung.

Wie aus Figur 5 hervorgeht, verkippt die innenliegende Kegelfläche an der unteren Stirnsei- te des hülsenförmig ausgebildeten Ventilelementes 16 gegenüber dem drucklosen Zustand 52 im druckbeaufschlagten Zustand 54 um den Verkippungswinkel α. Im druckbeaufschlagten Zustand 54 erhöht sich der Verkippungswinkel α, den die Ventilsitzlinie 62 mit der Symmetrieachse 12 bildet. Aufgrund dessen berührt im verschlissenen Zustand das Ventil-

element 16 den Sitz 18 an der Ventilführung 22 an der Sitzkante 24; d.h. an der Innenkante. Aufgrund der Verkippung ändert sich auch der Sitzwinkel bei anliegendem Systemdruck p _sys , so dass die maximale Dichtkraft an der Innenseite 40 des hülsenförmig ausgebildeten, an der Außenseite der Ventilführung 22 aufgenommenen Ventilelementes 16 erzeugt wird. In bevorzugter Ausgestaltung der in den Figuren 4 und 5 dargestellten, durch den Systemdruck beaufschlagbaren radialen Erweiterung 48 oberhalb des Sitzes 18 wird eine gezielte Verformung in das Ventilelement 16 eingebracht. Das Ventilelement 16 ist in der Darstellung gemäß der Figuren 4 und 5 als außenliegendes, hülsenförmig ausgebildetes Ventilelement 16 beschaffen. Es sind jedoch auch andere Geometrien des druckausgeglichenen Schaltventiles denkbar, bei welchen der Sitz 18 an der Oberseite liegt oder es sich um ein nach innen öffnendes Ventil oder dergleichen handelt. Die radiale Erweiterung 48 hat einen Abstand 46 von der Sitzkante 24 der zum Beispiel dem Radius R _N , vergleiche Bezugszeichen 50 in den Figuren 4 und 5, entspricht. Typische Werte für den Abstand A _N 46 liegen zwischen 0,2 bis 2 x R _N . Während in den Darstellungen gemäß Figuren 4 und 5 die radiale Erweiterung 48 an der Innenseite 40 des hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 angebracht ist, kann diese anstelle am Ventilelement 16 auch an der Ventil- führung 22 beziehungsweise am Ventilstück ausgebildet sein. Während die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen im Bereich des Sitzes 18 vorstehend in Bezug auf die Figuren 1 bis 5 in der Beschreibung beispielhaft anhand eines Schaltventiles 10 mit einer Abströ- mung nach außen, und außen liegendem Ventilelement 16 dargestellt sind, können die ergriffenen Maßnahmen auch auf jedes andere druckausgeglichene Schaltventil in anderer Geometrie übertragen werden.