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Dokumentenidentifikation DE102005042486A1 08.03.2007
Titel Ventil zum Steuern eines Fluidstroms
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Miller, Frank, 74360 Ilsfeld, DE;
Okrent, Elmar, 71686 Remseck, DE;
Krause, Andreas, 71706 Markgröningen, DE
DE-Anmeldedatum 07.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005042486
Offenlegungstag 08.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse F16K 1/52(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Ventil (1) zum Steuern eines Fluidstroms mit einem Ventilsitzkörper (4) und einem Ventilschließglied (5) beschrieben. Ein Dichtbereich (9) des Ventilschließgliedes (5) definiert mit einem dem Ventilflachsitz (2) des Ventilsitzkörpers (4) eine stromauf zu der Ausspritzöffnung (3) befindliche in Abhängigkeit des Hubes (h) des Ventilschließgliedes (5) variierende zweite Strömungsquerschnittsfläche (A2). Erfindungsgemäß ist eine in Strömungsrichtung des Fluids der zweiten Strömungsquerschnittsfläche (A2) vorgeschaltete dritte Strömungsquerschnittsfläche (A3) eines Zuführbereiches (17) vorgesehen, die kleiner als eine erste Strömungsquerschnittsfläche (A1) einer Ausspritzöffnung (3) ist (Figur 3).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Aus der Praxis bekannte Ventile zum Steuern eines Fluidstroms eines gasförmigen Fluids werden bei überkritischem Druckverhältnis hubentdrosselt betrieben, wobei der engste Strömungsquerschnitt bei Vorliegen des Nennhubes stromab eines Ventilsitzes im Bereich von Ausspritzöffnungen des Ventils angeordnet ist.

Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass bei hubentdrosselten Ventilbetrieben Druckverluste im Bereich des Ventilsitzes durch möglichst große Hübe und damit Strömungsquerschnitte minimierbar sind, wodurch ein möglichst geringer Einfluss von Hubtoleranzen auf den Durchfluss des Ventils erreicht wird. Da bei Überschallströmungen im Ventil grundsätzlich der kleinste Strömungsquerschnitt durchflussbestimmend ist, ist der Ventildurchfluss ausschließlich von der Strömungsquerschnittsfläche der Ausspritzöffnungen eines Ventils abhängig.

Bei derartig ausgeführten Ventilen ist jedoch nachteilhafterweise ein vollkommen hubunabhängiger Durchfluss nicht erreichbar, da dieser erst bei unendlich großen Hüben vorliegt.

Darüber hinaus ist auch die Anordnung des engsten Querschnittes bei hinreichend großem Hub am Ende des Ventils im Bereich der Ausspritzöffnungen nachteilig, da selbst bei maximalem Hub in kleinen Strömungsquerschnitten des Ventils stromauf der Ausspritzöffnung, wie beispielsweise dem Sitzbereich des Ventils, große Druckverluste auftreten, die den Durchfluss nachteilig beeinflussen, wobei insbesondere Herstelltoleranzen von derartige Strömungsquerschnitte des Ventils begrenzenden Bauteilen oder Hubtoleranzen unweigerlich zu nur schwer verifizierbaren Veränderungen des Durchflusses führen.

Über die Betriebsdauer eines Ventils auftretende Verschleiß- und Setzeffekte im Bereich einer im Bereich eines Ventilankers angebrachten Polymerschicht führt mit zunehmender Betriebsdauer des Ventils zu einer Veränderung des Ventilhubes und damit des Durchflusses, wodurch sich die Ventilcharakteristik unerwünschterweise mit zunehmender Betriebsdauer in nur schwer nachvollziehbarer Art und Weise verändert.

Des Weiteren ist bei den aus der Praxis bekannten Ventilen nachteilig, dass jeweils der engste Strömungsquerschnitt des gesamten Strömungsweges eines Fluids durch die Ventile innerhalb eines bestimmten Hubintervalls aus dem Bereich des Ventilsitzes in den Bereich der Ausspritzöffnung verlagert wird, so dass die Anzahl der Druckverluste verursachenden Strömungsquerschnitte in einem Ventil mit zunehmendem Ventilhub ansteigen, wodurch die Durchflosse bzw. die jeweils über die Ventile geführten Massenströme trotz zunehmender Ventilhübe nicht ansteigen oder in bestimmten Betriebszuständen der Ventile sogar abnehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zum Steuern eines Fluidstroms zur Verfügung zu stellen, dessen Durchflussverhalten im Vergleich zu bekannten Ventilen gegenüber Fertigungs- bzw. Hubtoleranzen unempfindlicher ist und im Wesentlichen durch eine lineare Hubdrosselcharakteristik gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Ventil zum Steuern eines Fluidstroms mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids, ist mit einem gegenüber einem mit einem Ventilflachsitz und wenigstens einer mit definierter erster Strömungsquerschnittsfläche ausgebildeter Ausspritzöffnung ausgeführten Ventilsitzkörper mit definiertem Hub axial verschiebbaren Ventilschließglied zur Einstellung des Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite ausgebildet. Das Ventilschließglied weist im Bereich seiner dem Ventilflachsitz zugewandten Stirnfläche einem mit dem Ventilflachsitz zusammenwirkenden Dichtbereich zum Sperren eines Durchflusses des Fluids vom Zuströmbereich in Richtung des Abströmbereiches über die Ausspritzöffnung auf. Der Dichtbereich des Ventilschließgliedes definiert gemeinsam mit dem Ventilflachsitz des Ventilsitzkörpers eine stromauf zu der Ausspritzöffnung befindliche und in Abhängigkeit des Hubes des Ventilschließgliedes variierende zweite Strömungsquerschnittsfläche.

Erfindungsgemäß ist eine in Strömungsrichtung des Fluids ausgehend von der Zuströmseite in Richtung der Ausspritzöffnung der zweiten Strömungsquerschnittsfläche vorgeschaltete dritte Strömungsquerschnittsfläche eines Zuführbereiches vorgesehen, die kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche der Ausspritzöffnung ist.

Damit ist bei einem mit überkritischem Druckverhältnis betriebenen Ventil gewährleistet, dass sich nach dem engsten Strömungsquerschnitt des Ventils, d. h. vorzugsweise nach der dritten Strömungsquerschnittsfläche des Ventils, die der zweiten Strömungsquerschnittsfläche und auch der ersten Strömungsquerschnittsfläche des Ventils in Strömungsrichtung des Fluids vorgeschaltet ist, eine Überschallströmung ausbildet und stromab der dritten Strömungsquerschnittsfläche weder Geometrietoleranzen im Bereich der zweiten Strömungsquerschnittsfläche bzw. des Ventilsitzes und der ersten Strömungsquerschnittsfläche der Ausspritzöffnung noch Hubtoleranzen den Durchfluss des Ventils beeinträchtigen. Damit ist der Durchfluss des erfindungsgemäß ausgeführten Ventils im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Ventilen, bei welchen der Durchfluss unter anderem vom Grad eines Verschleißes über der Lebensdauer des Ventils abhängig ist, auch nur noch von einem nicht verschleißabhängigem Betrag der Fläche der dritten Strömungsquerschnittsfläche abhängig, die vorzugsweise über den gesamten Betriebsbereich des Ventils bzw. den gesamten Hubbereich des Ventilschließgliedes des Ventils den engsten Strömungsquerschnitt des Ventils darstellt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine stark schematisierte Teilschnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Ventils;

2 eine graphische Darstellung einer Hubdrosselkurve des Ventils gemäß 1;

3 eine stark schematisierte Teilschnittansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils;

4 eine Teilschnittansicht des in 3 dargestellten Durchflussbegrenzerelementes;

5 eine 3 entsprechende Teilschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils;

6 zwei Hubdrosselkurven, welche sich im Betrieb des in 3 dargestellten Ventils einstellen; und

7 drei Hubdrosselkurven, welche sich bei unterschiedlich ausgeführten Ventilen gemäß 4 jeweils im Betrieb eines Ventils einstellen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bevor anhand der 3 bis 7 zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß ausgeführter Ventile näher beschrieben werden, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von 1 die Ventilfunktionalität eines bekannten Ventils kurz erläutert werden.

In 1 ist eine Teilschnittansicht eines aus der Praxis bekannten Ventils 1 zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids in stark schematisierter Form gezeigt. Das Ventil 1 ist mit einem über eine nicht näher dargestellte und vorzugsweise als magnetische Betätigungseinrichtung ausgeführte Aktuatoreinrichtung gegenüber einem mit einem Ventilflachsitz 2 und mit wenigstens einer mit definierter erster Strömungsquerschnittsfläche A1 ausgebildeten Ausspritzöffnung 3 ausgeführten Ventilsitzkörper 4 mit definiertem Hub h axial verschiebbaren Ventilschließglied 5 zur Einstellung des Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite 6 und einer Abströmseite 7 ausgebildet.

Das Ventilschließglied 5 ist im Bereich seiner dem Ventilflachsitz 2 zugewandten Stirnfläche 8 mit einem mit dem Ventilflachsitz 2 zusammenwirkenden Dichtbereich 9 zum Sperren eines Durchflusses des Fluids von der Zuströmseite 6 in Richtung des Abströmbereiches 7 über die Ausspritz- bzw. Ausblasöffnung 3 ausgebildet. Der Dichtbereich 9, welcher die Ausspritzöffnung 3 im Wesentlichen konzentrisch umgibt, definiert mit dem Ventilflachsitz 2 eine stromauf zu der Ausspritzöffnung 3 befindliche und in Abhängigkeit des Hubes h des Ventilschließgliedes 5 variierende zweite Strömungsquerschnittsfläche A2, welche bei dem in 1 dargestellten Ventil 1 im Wesentlichen der Mantelfläche eines Zylinders entspricht, der den Durchmesser des Ventilschließgliedes 5 aufweist und dessen Höhe dem aktuellen Hub h des Ventilschließgliedes 5 entspricht.

Bei geschlossenem Ventil 1 liegt das Ventilschließglied 5 mit seiner Stirnfläche 8 am Ventilflachsitz 2 des Ventilsitzkörpers 4 an und der Hub h ist Null, wobei der Durchfluss durch das Ventil 1 ausgehend von der Zuströmseite 6 in Richtung der Abströmseite 7 durch die dichtende Anlage des Ventilschließgliedes 5 mit seinem Dichtbereich 9 an dem Ventilflachsitz 2 des Ventilsitzkörpers 4 unterbrochen ist.

Zum Öffnen des Ventils 1 wird das Ventilschließglied 5 vom Ventilflachsitz 2 in der in der 1 dargestellten Art und Weise um einen definierten Hub h abgehoben, wodurch sich die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 mit zunehmenden Hub h vergrößert.

In 2 ist eine so genannte Hubdrosselkurve des in 1 gezeigten Ventils 1 dargestellt, wobei die Hubdrosselkurve den Verlauf des Durchflusses Q des Fluids durch das Ventil 1 über dem Hub h des Ventilschließgliedes 5 wiedergibt.

Das Ventil 1 befindet sich nach dem Abheben des Ventilschließgliedes 5 vom Ventilflachsitz 2 in einem so genannten hubgedrosselten Betriebszustand, solange die hubabhängig variierende zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche A1 der Ausspritzöffnung 3 ist, da die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 darstellt und der durch das Ventil 1 geführte Massenstrom Q in der in 2 dargestellten Art und Weise nahezu proportional mit dem Hub h ansteigt.

Bei Erreichen eines ersten Hubwertes H1 entspricht die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 im Wesentlichen der ersten Strömungsquerschnittsfläche A1, so dass bei einer weiteren Erhöhung des Hubes h des Ventilschließgliedes 5 die erste Strömungsquerschnittsfläche A1 die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 ist. Damit nehmen die Reibungsverluste vor der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche des mit überkritischem Druckverhältnis betriebenen Ventils 1 in bekannter Art und Weise zu. Die Zunahme der Reibungsverluste führen trotz steigendem Hub h dazu, dass der Massenstrom bzw. der Durchfluss Q durch das Ventil 1 bis hin zu einem zweiten Hubwert H2 im Wesentlichen stagniert. Dieser Bereich wird als so genannter Transitionsbereich bezeichnet.

Bei einem idealisierten Ventil, in dem im Betrieb keine Reibungsverluste auftreten, bleibt der Durchfluss des Ventils ab dem Hubwert, zu dem die zweite Strömungsquerschnittsfläche die erste Strömungsquerschnittsfläche übersteigt, unabhängig vom weiteren Anstieg des Hubes h des Ventilschließgliedes und der damit einhergehenden Vergrößerung der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 konstant, da ein solches Ventil hubentdrosselt ist.

Bei einem realen Ventil, bei dem im Betrieb Reibungsverluste auftreten, nehmen die Reibungsverluste im Bereich des Ventilflachsitzes 2 bzw. im Bereich der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 mit zunehmendem Hub h derart ab, dass bei Übersteigen eines zweiten Hubwertes H2 der Durchfluss Q weiter ansteigt. Dies führt dazu, dass Hubtoleranzen Durchflusstoleranzen bewirken, auch wenn die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 bei Vorliegen des Nennhubes HN des Ventils größer als die erste Strömungsquerschnittsfläche A1 ist.

Anhand der in 2 dargestellten Hubdrosselkurve und einer sogenannten CFD-Simulation ist bekannt, dass die im Ventil 1 auftretenden Durchflusstoleranzen erst bei unendlich großen Hüben des Ventilschließgliedes Null werden, die bei realen Ventilen selbstverständlich nicht einstellbar sind.

Modellhaft betrachtet ist das Ventil 1 als überkritisch betriebene Laval-Düse abbildbar, bei der der Durchfluss maßgeblich vom kleinsten Strömungsquerschnitt und von den Zustandsgrößen des durch das Ventil geführten Fluids direkt vor der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche beeinflusst wird. Die Zustandsgrößen des Fluids sind wiederum abhängig von den Druckverlusten in Strömungsquerschnittsflächen vor der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche, wobei sogenannte CFD-Rechnungen ergeben haben, dass die Hauptverluste im Bereich zwischen dem Ventilflachsitz 2 und dem Dichtbereich 9 sowie im Einlaufbereich der Ausspritzöffnung 3 entstehen. Damit führen aus Fertigungs- oder Hubtoleranzen in diesen Bereichen resultierende Druckverluste zu hohen Durchflusstoleranzen.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Kenntnis über überkritische Strömungen, welche sich dadurch auszeichnen, dass Druckverluste nach der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche keinen Einfluss auf die Strömung eines Fluids im Bereich der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche und somit generell auf den Durchfluss stromab dieses Strömungsbereichs des Ventils haben, da in diesem Bereich immer kritische Zustandsgrößen des strömenden Fluids vorliegen. Eine Änderung der Druckverluste nach der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche führt lediglich zu einer Verschiebung des Verdichtungsstoßes in der nachfolgenden Strömung.

Aus diesem Grund wird das in 1 dargestellte und an sich bekannte Ventil 1 erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die im Bereich des Ventilflachsitzes 2 und im Einlaufbereich der Ausspritzöffnung 3 verursachten Hauptreibungsverluste des Ventils 1 keinen nennenswerten Einfluss auf den Durchfluss des Ventils 1 ausüben.

Hierfür wird das bekannte Ventil 1 gemäß 1 derart verändert, dass sich der kleinste Strömungsquerschnitt des Ventils 1 vorzugsweise über den gesamten Hubbereich des Ventilschließgliedes 5 oder zumindest ab einem vordefinierten Hubwert des Ventilschließgliedes 5 stromauf des Ventilflachsitzes 2 befindet.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils 1, bei dem die kleinste Strömungsquerschnittsfläche dem Ventilflachsitz 2 bzw. der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 direkt vorgeschaltet ist.

Dazu ist in den Strömungsweg des über das Ventil 1 geführten Fluids ein vorliegend hülsenartig ausgeführtes Durchflussbegrenzerelement 10 als neues konstruktives Element vorgesehen, welches koaxial zu dem Ventilschließglied 5 angeordnet ist und sich im Strömungsweg vor dem Ventilflachsitz 2 bzw. vor der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 befindet.

Das Durchflussbegrenzerelement 10 ist koaxial dichtend am Ventilschließglied 5 angeordnet, so dass im Bereich zwischen dem Durchflussbegrenzerelement 10 und dem Ventilschließglied 5 nur ein geringer Leckstrom entsteht und der Durchfluss durch das Ventil 1 im Wesentlichen über die Durchflusskanäle 11 bis 13 bzw. die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 erfolgt. Das bedeutet, dass die bei herkömmlichen Ventilen bekannte Dichtheit des Ventilflachsitzes 2 durch die Anordnung des Durchflussbegrenzerelementes 10 nicht beeinflusst wird.

Das in 3 dargestellte Ventil 1 stellt ein einsitziges Ventil mit zentraler Ausspritzöffnung 3 dar, bei dem das Ventilschließglied 5 bei geschlossenem Ventil 1 den Ventilflachsitz 2 berührt, wenn der Hub h des Ventilschließgliedes 5 Null ist. In dieser Stellung des Ventilschließgliedes 5 ist die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 Null und der Strömungsweg zwischen der Zuströmseite 6 und der Abströmseite 7 des Ventils 1 ist im Bereich des Ventilflachsitzes 2 unterbrochen.

Das Durchflussbegrenzerelement 10 ist mit mehreren über den Umfang des Durchflussbegrenzerelementes 10 verteilt angeordneten und in den 3 und 4 dargestellten Durchflusskanälen 11, 12, 13 ausgebildet. Die Durchflusskanäle 11 bis 13 sind jeweils mit Eintrittsöffnungen 11A, 12A und 13A sowie Austrittsöffnungen 11B, 12B und 13B ausgeführt, wobei die dem Ventilschließglied 5 zugewandten Austrittsöffnungen 11B, 12B, 13B aufsummiert die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 darstellen, welche kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche der Austrittsöffnung 3 ist. Zusätzlich sind die Durchflusskanäle 11 bis 13 jeweils durch eine obere Kreisscheibe 10A, eine untere Kreisscheibe 10B sowie mehrere diese miteinander verbindende und in radialer Richtung verlaufende Stege 14, 15 begrenzt. Die Form der Durchflusskanäle 11 bis 13 ist derart vorgesehen, dass sich die freien Strömungsquerschnittsflächen der Durchflusskanäle 11 bis 13 in Strömungsrichtung des Fluids jeweils ausgehend von der dem Ventilschließglied 5 abgewandten Eintrittsöffnungen 11A bis 13A der Durchflusskanäle in Richtung Ihrer Austrittsöffnungen 11B bis 13B stetig verjüngen bzw. verkleinern.

Bei dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils 1 ist die Unterkante der Austrittsöffnung 12B des Durchflusskanals 12 um eine einem dritten Hubwert H3 entsprechende Wegstrecke oberhalb des Ventilflachsitzes 2 des Ventilsitzkörpers 4 angeordnet, so dass eine Verbindung zwischen der Abströmseite 7 und den Durchflusskanälen 11 bis 13 erst ab Überschreiben des dritten Hubwertes H3 des Ventilschließgliedes 5 vorliegt.

Diese Vorgehensweise gewährleistet, dass der vom Ventilschließglied 5 freigegebene Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche A3 um einen bestimmten Wert kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist und die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 in allen Betriebszuständen des Ventils 1 sicher stromauf des Ventilflachsitzes 2 und des Einlaufbereichs der Ausspritzöffnung 3 ist.

Selbst wenn die untere Begrenzung der Austrittsöffnungen 11B bis 13B der Durchflusskanäle des Durchflussbegrenzerelementes 10 auf dem Niveau des Ventilflachsitzes 2 sind, ist der von dem Ventilschließglied 5 jeweils freigegebene Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche A3 kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche, da die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 über alle Positionen des Ventilschließgliedes 5 um den Betrag der Stirnflächen der Stege 14 und 15 gegenüber der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 reduziert ist. Falls die Stirnflächen der Stege 14 und 15 jedoch sehr klein sind, kann die stufenartige Erhebung der Austrittsöffnungen 11B, 12B und 13B gegenüber dem Ventilflachsitz 2 erforderlich sein, um einen Transitionsbereich in der Ventilcharakteristik zu vermeiden.

Dadurch, dass der von dem Ventilschließglied 5 freigegebene Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche A3 über alle Betriebsbereiche des Ventils 1 kleiner der ersten Strömungsquerschnittsfläche A1 und auch kleiner oder höchstens gleich der hubabhängigen zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 ist, ist diese im Wesentlichen über den gesamten Hubbereich des Ventils 1 durchflussbestimmend. Die bekannter Weise im Bereich des Ventilflachsitzes 2 und im Einlaufbereich der Ausspritzöffnung 3 auftretenden Hauptreibungsverluste des Ventils 1 sind somit auf einfache Art und Weise nach der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 positioniert, weshalb diese im Wesentlichen keinen Einfluss auf den Durchfluss des Ventils 1 haben, womit der Durchfluss des Ventils gemäß 3 im Gegensatz zum Durchfluss des Ventils 1 gemäß 1 hubunabhängig ist.

In 6 sind zwei Hubdrosselkurven HDK1, HDK2 gezeigt, welche sich im Betrieb eines prinzipiell in 3 dargestellten Ventils 1 einstellen, wobei die Hubdrosselkurve HDK1 sich ohne die Stufe mit der Höhe H3 zwischen den Austrittsöffnungen 11B, 12B, 13B und dem Ventilflachsitz 2 einstellt. Der Durchfluss Q des Ventils 1 steigt ausgehend vom geschlossenen Zustand des Ventils 1, d. h. ausgehend vom Hubwert h = 0 oder ausgehend vom Hubwert H3 bis hin zu einem vierten Hubwert H4, zu dem die Stirnfläche 8 des Ventilschließgliedes 5 die obere Begrenzung der Austrittsöffnungen 11B bis 13B der Durchflusskanäle 11 bis 13 erreicht und der vom Ventilschließglied 5 freigegebene Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche A3 sein Maximum erreicht, proportional zum Hub h des Ventilschließgliedes 5 an. Anschließend bleibt der Durchfluss Q trotz weiter steigendem Hub h des Ventilschließgliedes 5 konstant, da die durchflussbestimmende kleinste Strömungsquerschnittsfläche, d. h. der vom Ventilschließglied 5 jeweils freigegebene Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche A3, mit zunehmendem Hub nicht mehr größer wird.

Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass das Ventilschließglied 5 im Bereich seiner dem Durchflussbegrenzerelement 10 zugewandten Mantelfläche mit einer ringförmigen und in 3 durch die strichliert ausgeführte Linie graphisch dargestellten Aussparung 16 ausgeführt ist, so dass die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 nicht in Abhängigkeit des Hubes h des Ventilschließgliedes 5 variiert und die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 erst bei Überschreiten des vierten Hubwertes H4 kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist.

Das bedeutet jedoch, dass sich bei einem derart ausgeführten Ventil 1 ein Transitionsbereich im Verlauf der Hubdrosselkurve einstellen wird, der jedoch ab Erreichen des vierten Hubwertes H4, ab dem die Druckverluste im Ventilflachsitz 2 und im Einlaufbereich der Austrittsöffnung 3 durch Verschiebung der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche vom Ventilflachsitz 2 in einem Bereich des Ventils 1 stromauf des Ventilflachsitzes 2 keinen Einfluss mehr auf das Durchflussverhalten des Ventils haben.

In 5 ist ein zweites erfindungsgemäß ausgestaltetes Ventil 1 ausgeführt, bei dem die kleinste Strömungsquerschnittsfläche A3 ebenfalls stromauf der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 des Ventilflachsitzes 2 und der ersten Strömungsquerschnittsfläche A1 der Ausspritzöffnung 3 vorgesehen ist.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 jedoch nicht über ein zusätzliches konstruktives Bauteil zur Verfügung gestellt. Bei dem Ventil 1 gemäß 5 begrenzt eine dem Ventilschließglied 5 zugewandte Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 und eine dem Ventilsitzkörper 4 zugewandte Außenkontur des Ventilschließgliedes 5 einen der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 vorgeschalteten Zuführbereich 17. Die Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 und die Außenkontur des Ventilschließgliedes 5 sind dabei in Abhängigkeit des Hubes h des Ventilschließgliedes 5 derart aufeinander abgestimmt, dass die die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 darstellende dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 im Bereich des Zuführbereichs 17 angeordnet ist und ab einem vordefinierten Hubwert des Ventilschließgliedes 5, der vorzugsweise Null ist, kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist. Ferner ist die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 des Zuführbereichs 17 bei dem in 5 dargestellten Ventil 1 über alle Betriebsbereiche kleiner als die hubunabhängige erste Strömungsquerschnittsfläche A1 der Ausspritzöffnung 3.

Das Ventilschließglied 5 ist ausgehend von der Stirnfläche 8 mit einer Fase 18 ausgebildet, während der Ventilsitzkörper 4 mit einer zusätzlichen Schräge 19 ausgebildet ist. Die Fase 18 des Ventilschließgliedes 5 und die Schräge 19 des Ventilsitzkörpers 4 sind dabei derart ausgebildet, dass sie zusammen in Strömungsrichtung des Fluides einen divergenten Ringkanal 20 bzw. einen Diffusor bilden, der Teil des Zuführbereiches 17 ist.

Da die Fase 18 des Ventilschließgliedes 5 in Bezug auf die Längsachse 21 des Ventils 1 mit einem größeren Winkel ausgeführt ist als die Schräge 19, ist die Strömungsquerschnittsfläche in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids im Ventil 1 am Ende des divergenten Kanals 20 größer als die Strömungsquerfläche am Kanaleingang, wobei die Strömungsquerschnittsfläche A3 im Bereich des Eintritts des Kanals 20 die kleinste Strömungsquerschnittsfläche und die Strömungsquerschnittsfläche A4 am Ausgang des Kanals 20 die größte Strömungsquerschnittsfläche des Kanals 20 ist.

In Abhängigkeit des Hubes h des Ventilschließgliedes 5 ist die kleinste Strömungsquerschnittsfläche A3 des Ventils jeweils zwischen der der Stirnfläche 8 des Ventilschließgliedes 5 abgewandten Seite der Fase 18 und verschiedenen Gegenflächen der Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 ausgebildet, wobei die Strömungsquerschnittsfläche A3 am Strömungseintritt des Kanals 20 immer kleiner als die Strömungsquerschnittsfläche A4 am Strömungsaustritt des Kanals 20 ist.

Damit ist die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1, d. h. die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3, vorteilhafterweise immer stromauf des Ventilflachsitzes 2 sowie der ersten Strömungsquerschnittsfläche A1 der Ausspritzöffnung 3, da die Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 und die Außenkontur des Ventilschließgliedes 5 derart vorgesehen sind, dass der Einströmquerschnitt A3 des Kanals 20 jederzeit kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche A1 und zumindest bis zu einem vordefinierten Hubwert des Ventilschließgliedes 5 auch kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist.

Des Weiteren sind die Fase 18 und die Schräge 19 derart ausgelegt, dass die dritte Querschnittsfläche A3 im Bereich des Strömungseintritts des Kanals 20 kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche A1 und kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist, bevor eine fünfte Strömungsquerschnittsfläche A5, welche vom Ventilschließglied 5 und dem Ventilsitzkörper 4 im Bereich eines Ringbundes 22 des Ventilschließgliedes 5 begrenzt ist, die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 unterschreitet.

Zusätzlich sind die Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 und die Außenkontur des Ventilschließgliedes 5 derart aufeinander abgestimmt, so dass sich das Ventilschließglied 5 und der Ventilschließkörper 4 bei geschlossenem Ventil 1 idealerweise im Bereich von Begrenzungskanten 18A und 19A der Fase 18 bzw. der Schräge 19 berühren und die kleinste Strömungsquerschnittsfläche, d.h. die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3, gleich Null ist. Wird dies aufgrund von Fertigungs- oder Toleranzgründen nicht erreicht und sollte die dritte Querschnittsfläche A3 bei geschlossenem Ventil 1 größer als Null sein, ist die dritte Querschnittsfläche A3 bei kleinen Hubwerten h des Ventilschließgliedes 5 größer als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2, weshalb die Hubdrosselkurve des Ventils 1 mit einem Transitionsbereich ausgebildet ist.

Unabhängig davon sind die Fertigungswinkel der Schräge 19 und der Fase 18 derart vorzusehen, dass eine hubabhängige Änderung der dritten Strömungsquerschnittsfläche A3 des Zuführbereichs 17 kleiner als eine hubabhängige Änderung der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 ist. Dadurch ist gewährleistet, dass ein Transitionsbereich der Hubdrosselkurve des Ventils vermieden wird, wenn die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 bei geschlossenem Ventil 1 Null ist. Ist dies nicht der Fall, weist die Hubdrosselkurve des Ventils 1 erst ab Überschreiten eines bestimmten Hubwertes, zu dem die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist, keinen Transitionsbereich mehr auf.

Damit der durch das Ventil 1 geführte Massenstrom bzw. Volumenstrom Q des Fluids ab einem bestimmten Hubwert des Ventilschließgliedes 5 konstant ist, ist der Nennhub des Ventils 1 derart einzustellen bzw. die Lage des Kanals 20 für den Maximalhub des Ventilschließgliedes 5 derart vorzusehen, dass die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 im Bereich zwischen dem Ringbund 22 des Ventilschließgliedes 5 und des Mantelflächenbereichs 23 der Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 angeordnet ist.

Die in diesem Bereich definierte fünfte Strömungsquerschnittsfläche A5 ist ab einem bestimmten Hubwert konstant und derart zu bemessen, dass sie ab einem vordefinierten Hubwert des Ventilschließgliedes 5 kleiner als die vier vorgenannten Strömungsquerschnittsflächen A1 bis A4 ist.

In 7 sind mehrere Hubdrosselkurven HDK1 bis HDK3 gezeigt, wobei die strichliert ausgeführte Hubdrosselkurve HDK1 ohne und die durch die durchgezogene Linie dargestellte Hubdrosselkurve HDK2 mit Transitionsbereich ausgebildet ist. Die Hubdrosselkurven HDK1 bis HDK3 stellen sich im Betrieb eines prinzipiell in 5 dargestellten Ventils 1 ein.

Falls der Diffusor bzw. der Kanal 20 derart ausgelegt ist, dass die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils 1 nicht im Bereich des Kanals 20 angeordnet ist, weil beispielsweise der Winkel der Fase 18 und der Winkel der Schräge 19 derart vorgesehen sind, dass die dritte Querschnittsfläche A3 im Strömungseintritt des Kanals 20 in Abhängigkeit des Hubes schneller zunimmt als die zweite Querschnittsfläche A2 im Bereich des Ventilflachsitzes 2 und sich die kleinste Strömungsquerschnittsfläche des Ventils erst ab einem bestimmten Hubwert des Ventilschließgliedes im Bereich des Ringbundes 22 des Ventilschließgliedes, d. h. im Bereich der fünften Strömungsquerschnittsfläche A5 ausbildet, weist die Hubdrosselkurve HDK2 des Ventils 1 gemäß 5 einen in 7 dargestellten Transitionsbereich auf.

Ist ein Transitionsbereich unerwünscht, besteht die Möglichkeit, die Strömungsquerschnittsfläche A3 in nachbeschriebener Art und Weise zu reduzieren.

Die Umfangsfläche des Ringbundes 22 des Ventilschließgliedes 5 ist derart zu dimensionieren, dass das Ventilschließglied 5 bei geschlossenem Ventil 1 an der Innenmantelfläche 24 des Ventilsitzkörpers 4 anliegt. Dann befindet sich das Ventilschließglied 5 mit der Begrenzungskante 18A der Fase 18 um ein bestimmtes Maß, welches nachfolgend als Vorhub bezeichnet wird, unterhalb der unteren Begrenzungskante 19A der Schräge 19 des Ventilsitzkörpers 4.

Ist das Ventilschließglied 5 mit seinem Dichtbereich 9 um einen dem Vorhub entsprechenden Hubwert vom Ventilflachsitz 2 abgehoben, berührt die Begrenzungskante 19A der Schräge 19 die Begrenzungskante 18A der Fase 18, womit die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 größer als Null ist, während die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 den Wert Null aufweist.

Damit das Ventil 1 gemäß 5 über den gesamten Betriebsbereich ohne Transitionsbereich zur Verfügung steht, ist der Vorhub derart vorzusehen, dass die dritte Strömungsquerschnittsfläche A3 für alle Hubwerte des Ventilschließgliedes 5 kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 im Bereich des Ventilflachsitzes 2 ist. Die einem derart ausgebildeten Ventil 1 zugrunde liegende Hubdrosselkurve HDK3 ist in 7 durch die strichpunktiert ausgeführte Linie graphisch wiedergegeben.

Ist in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles der Einsatz eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils, das beispielsweise bei gasbetriebenen Nutzkraftwagen oder dergleichen eingesetzt werden kann, mit einem Transitionsbereich erlaubt, kann auf eine fertigungstechnisch und daher kostengünstigere Ausgestaltung des Ventils zurückgegriffen werden. Bei dieser Lösung, die grundsätzlich in 3 dargestellt ist, ist stromauf der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 weder ein Durchflussbegrenzerelement gemäß 3 noch eine aufwändige Gestaltung der Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 und der Außenkontur des Ventilschließgliedes 5 erforderlich.

Bei einem derartig ausgebildeten Ventil ist die Innenkontur des Ventilsitzkörpers 4 und die Außenkontur des Ventilschließgliedes 5 in der in 3 dargestellten Art und Weise senkrecht ausgebildet. Damit das Ventil trotzdem erfindungsgemäß ausgebildet ist, sind der Innendurchmesser des Ventilsitzkörpers 4 und der Außendurchmesser des Ventilschließgliedes 5 derart aufeinander abgestimmt, dass eine stromauf der zweiten Strömungsquerschnittsfläche A2 vom Ventilschließglied 5 und dem Ventilsitzkörper 4 begrenzte sechste Strömungsquerschnittsfläche A6 immer kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche A1 der Ausspritzöffnung 3 und ab einem bestimmten Hub des Ventilschließgliedes 5 auch kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 ist.

Da die sechste Strömungsquerschnittsfläche A6 aufgrund der zylinderförmigen Ausgestaltungen des Ventilsitzkörpers 4 und des Ventilschließgliedes 5 konstant ist und die zweite Strömungsquerschnittsfläche A2 mit steigendem Hub des Ventilschließgliedes zunimmt, ist diese Forderung ab einem bestimmten Hubwert des Ventilschließgliedes 5 erfüllt. Die sich bei einem derart ausgestalteten Ventil einstellende Hubdrosselkurve entspricht prinzipiell der in 7 durch die durchgezogene Linie graphisch dargestellten Hubdrosselkurve HDK2, wobei der Transitionsbereich vergleichsweise näher an den konstanten Teil der Hubdrosselkurve heranreicht.


Anspruch[de]
Ventil (1) zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids, mit einem gegenüber einem mit einem Ventilflachsitz (2) und wenigstens einer mit definierter erster Strömungsquerschnittsfläche (A1) ausgebildeter Ausspritzöffnung (3) ausgeführten Ventilsitzkörper (4) mit definiertem Hub h axial verschiebbaren Ventilschließglied (5) zur Einstellung des Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite (6) und einer Abströmseite (7), wobei das Ventilschließglied (5) im Bereich seiner dem Ventilflachsitz (2) zugewandten Stirnfläche (8) mit einem mit dem Ventilflachsitz (2) zusammenwirkenden Dichtbereich (9) zum Sperren eines Durchflusses des Fluids vom Zuströmbereich (6) in Richtung des Abströmbereiches (7) über die Ausspritzöffnung (3) ausgebildet ist, der mit dem Ventilflachsitz (2) eine stromauf zu der Ausspritzöffnung (3) befindliche in Abhängigkeit des Hubes (h) des Ventilschließgliedes (5) variierende zweite Strömungsquerschnittsfläche (A2) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Strömungsrichtung des Fluids ausgehend vom Zuführbereich (6) in Richtung der Ausspritzöffnung (3) der zweiten Strömungsquerschnittsfläche (A2) vorgeschaltete dritte Strömungsquerschnittsfläche (A3) eines Zuführbereiches (17) vorgesehen ist, die kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche (A1) der Ausspritzöffnung (3) ist. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Strömungsquerschnittsfläche (A3) in Abhängigkeit des Hubes (h) des Ventilschließgliedes (5) zwischen einem Minimum und einem Maximum variierbar ist und das Maximum der dritten Strömungsquerschnittsfläche (A3) kleiner als die erste Strömungsquerschnittsfläche (A1) der Ausspritzöffnung (3) ist. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführbereich (17) durch ein das Ventilschließglied (5) im Bereich des Ventilflachsitzes (2) umgebendes Durchflussbegrenzerelement (10) gebildet ist, welches mit wenigstens einem Durchflusskanal (11, 12, 13) ausgeführt ist, dessen dem Ventilschließglied (5) zugewandte Austrittsöffnung (11B, 12B, 13B) das Maximum der dritten Strömungsquerschnittsfläche (A3) darstellt. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die freie Strömungsquerschnittsfläche des Durchflusskanals (11, 12, 13) in Strömungsrichtung des Fluids ausgehend von der dem Ventilschließglied (5) abgewandten Eintrittsöffnung (11A, 12A, 13A) des Durchflusskanals (11, 12, 13) in Richtung seiner Austrittsöffnung (11B, 12B, 13B) stetig verjüngt. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (11B, 12B, 13B) des Durchflusskanals (11, 12, 13) in Bezug auf den Dichtbereich (9) des Ventilschließgliedes (5) derart angeordnet ist, dass die zweite Strömungsquerschnittsfläche (A2) und ein von dem Ventilschließglied (5) freigegebener Teil der dritten Strömungsquerschnittsfläche (A3) mit steigendem Hub (h) zunehmen. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (11B, 12B, 13B) des Durchflusskanals (11, 12, 13) in Bezug auf den Dichtbereich (9) des Ventilschließgliedes (5) derart angeordnet ist, dass die zweite Querschnittsfläche (A2) zwischen einer zu dem geschlossenen Zustand des Ventilflachsitzes (2) äquivalenten Stellung des Ventilschließgliedes (5) und einem vordefinierten Hubwert des Ventilschließgliedes (5) größer als ein von dem Ventilschließglied (5) freigegebener Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche (A3) ist. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussbegrenzerelement (10) gegenüber dem Ventilschließglied (5) axial festgelegt ist und das Ventilschließglied (5) derart dichtend umgibt, dass im Überdeckungsbereich zwischen dem Ventilschließglied (5) und dem Durchflussbegrenzerelement (10) ein Fluidstrom vermieden ist. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (5) im Bereich seines dem Durchflussbegrenzerelement (10) zugewandten Endes mit einer derartigen Aussparung (16) ausgeführt ist, dass der von dem Ventilschließglied (5) freigegebene Anteil der dritten Strömungsquerschnittsfläche (A3) in allen Hubstellungen des Ventilschließgliedes (5) dem Maximum der dritten Strömungsquerschnittsfläche (A3) entspricht. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussbegrenzerelement (10) ringscheibenförmig ausgebildet ist und mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Durchflusskanälen (11, 12, 13) ausgeführt ist, die durch radial verlaufende Stege (14, 15) voneinander getrennt sind. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenkontur des Ventilsitzkörpers (4) und eine Außenkontur des Ventilschließgliedes (5) einen der zweiten Strömungsquerschnittsfläche (A2) vorgeschalteten Zuführbereich (17) begrenzen, wobei die Innenkontur des Ventilsitzkörpers (4) und die Außenkontur des Ventilschließgliedes (5) in Abhängigkeit des Hubes (h) des Ventilschließgliedes (5) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die dritte Strömungsquerschnittsfläche (A3) ab einem vordefinierten Hubwert kleiner als die zweite Strömungsquerschnittsfläche (A2) ist.






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