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Dokumentenidentifikation DE112006000486T5 10.01.2008
Titel Druckentlastungsventil
Anmelder Caterpillar Inc., Peoria, Ill., US
Erfinder Stockner, Alan R., Metamora, Ill., US
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 112006000486
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 23.01.2006
PCT-Aktenzeichen PCT/US2006/002577
WO-Veröffentlichungsnummer 2006093596
WO-Veröffentlichungsdatum 08.09.2006
Date of publication of WO application in German translation 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse F16K 17/04(2006.01)A, F, I, 20060123, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 15/04(2006.01)A, L, I, 20060123, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Druckentlastungsventil und insbesondere auf ein Druckentlastungsventil mit einer Drucksteuerzumessöffnung.

Hintergrund

Bei vielen Strömungsmittelsystemanwendungen kann es wünschenswert sein, Druck in dem Strömungsmittelsystem abzulassen, beispielsweise um einen Schaden an Komponenten des Strömungsmittelsystems zu verhindern und/oder um einen abnormen Zustand zu verhindern. Beispielsweise kann ein Verbrennungsmotor ein Brennstoffsystem aufweisen, um Brennstoff für Brennkammern unter Druck zu liefern, um eine geeignete Zerstäubung und Vermischung der Verbrennungskomponenten vorzusehen. Ein Beispiel eines solchen Brennstoffsystems wird allgemein als Common-Rail-Brennstoffeinspritzsystem (common rail = gemeinsame Druckleitung) bezeichnet.

In einem Common-Rail-Brennstoffeinspritzsystem liefert eine Pumpe, beispielsweise eine Pumpe mit variabler Verdrängung, Brennstoff mit hohem Druck, wie beispielsweise mit ungefähr 1600 bar, zu einer Sammelleitung, die manchmal als Common-Rail bezeichnet wird, die Brennstoff zu Einspritzvorrichtungen liefert, die jeweils mit den Brennkammern assoziiert sind. Unter gewissen Umständen kann der Druck in dem Brennstoffsystem eine Größe erreichen, die die Komponenten des Brennstoffsystems schädigen könnte.

Um zu verhindern, dass so etwas auftritt, kann das Brennstoffsystem mit einem Druckentlastungsventil versehen sein, welches konfiguriert ist, um einen Druck in dem Brennstoffsystem zu entlasten, wenn er eine Größe über einem maximal erwünschten Niveau erreicht (beispielsweise wenn ein Überdruckzustand auftritt). Beispielsweise kann ein Hochdruckentlastungsventil ausgewählt werden, um Druck abzulassen, sobald er eine Größe von ungefähr 2000 bar erreicht. Weiterhin kann es bei Hochdruckbrennstoffsystemen wünschenswert sein, eine relativ stabile Druckentlastung vorzusehen. Insbesondere kann es allgemein wünschenswert sein, dass ein Hochdruckentlastungsventil so arbeitet, dass es keine breiten Oszillationen des Strömungsmittelsystemdrucks erzeugt, wenn es sich ansprechend auf Drucksteigerungen bzw. Druckverringerungen öffnet und schließt.

Um einen relativ stabilen Betrieb vorzusehen, haben einige herkömmliche Druckentlastungsventile komplexe Ventilsitz- und Ventilverschlussgliedkonfigurationen. Solche komplexen Konfigurationen von Ventilsitz- und Ventilverschlussglied können jedoch teurer sein als erwünscht.

Ein alternatives Druckentlastungsventil, welches kostengünstiger ist, ist ein Druckentlastungsventil mit einem kugelförmigen Ventilverschlussglied. Dieses weniger komplexe und im Allgemeinen weniger teure Ventilverschlussglied kann jedoch ungeeignet sein, und zwar wegen seiner relativ instabilen Druckentlastungscharakteristiken. Insbesondere kann ein Druckentlastungsventil mit einem kugelförmigen Ventilverschlussglied eine Druckentlastungsöffnung zum Ablassen von Strömungsmitteldruck aufweisen, die durch ein Ventilverschlussglied geschlossen werden kann, welches mit einer Feder assoziiert ist, die konfiguriert ist, um einem Druck des Strömungsmittels Widerstand zu bieten und das Ventilverschlussglied in einer Position zu halten, die die Öffnung verschließt. Wenn der Druck in dem Strömungsmittelsystem eine Größe erreicht, die hoch genug ist, um die Kraft der Feder zu überwinden, die das Ventilverschlussglied über der Öffnung hält, wird das Ventilverschlussglied verschoben, um zu gestatten, dass Strömungsmittel durch die Öffnung fließt, wodurch der Druck abgelassen wird.

In einer solchen Anordnung kann jedoch, sobald der Druck in dem Strömungsmittelsystem durch das kugelförmige Ventilverschlussglied freigegeben worden ist, welches vom Sitz abgehoben und verschoben wird, um den Druck abzulassen, der Druck in dem Strömungsmittelsystem auf eine unerwünscht niedrige Größe abfallen müssen, damit das Ventilverschlussglied wieder auf den Sitz aufsetzt und die Druckentlastung nicht weiter vorherrscht, weil das Strömungsmittel, welches durch die Öffnung fließt, sobald diese geöffnet ist, verhindert, dass das kugelförmige Ventilverschlussglied wieder auf den Sitz aufsetzt, bis der Druck beträchtlich abfällt. Ein solcher beträchtlicher Druckabfall kann jedoch verhindern, dass das Strömungsmittelsystem ordnungsgemäß arbeitet. Wenn beispielsweise in einem Brennstoffsystem für einen Verbrennungsmotor der Druck in dem Brennstoffsystem zu stark abfällt, kann der Verbrennungsmotor eventuell nicht fähig sein, genügend Brennstoff aufzunehmen, um ordnungsgemäß zu arbeiten. Insbesondere kann die Druckentlastung instabil und/oder ungeeignet sein, weil der Druck im Strömungsmittelsystem dazu tendieren wird, zwischen einem unerwünscht hohen Druck und einem unerwünscht niedrigen Druck hin und her zu oszillieren, wodurch möglicherweise der erwünschte Betrieb des Strömungsmittelsystems verhindert wird und/oder unerwünschte Spannungen auf den Komponenten des Strömungsmittelsystems aufgrund von schnellen Druckveränderungen erzeugt werden.

Ein Druckentlastungsventil zur Entlastung eines Druckes in einem Strömungsmittelsystem wird beschrieben im US-Patent 6 675 774 (dem '774-Patent), welches an Frank u.a. am 13. Januar 2004 erteilt wurde. Das '774-Patent beschreibt ein Druckentlastungsventil, welches mit einem Brennstoffreservoir integriert ist, um Brennstoff zu einer Anzahl von Einspritzvorrichtungen zu liefern. Das Druckentlastungsventil weist einen kugelförmigen Ventilkörper auf. Obwohl das im '774-Patent beschriebene Druckentlastungsventil einen höheren Druck als erwünscht ablassen kann, bietet es keine stabile Druckentlastung des Strömungsmittelsystems, da es unter den oben erwähnten Problemen leidet.

Das offenbarte Druckentlastungsventil kann andererseits ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Druckentlastungsventil gerichtet, welches einen Ventilkörper aufweist, der einen Einlass definiert, der konfiguriert ist, um Strömungsmittel von einem Strömungsmittelsystem aufzunehmen. Der Einlass definiert eine Querschnittsfläche. Der Ventilkörper weist weiter eine Drucksteuerzumessöffnung auf, die in einem Ventilsitz endet. Die Drucksteuerzumessöffnung definiert eine Querschnittsfläche, die geringer als die Querschnittsfläche des Einlasses ist. Der Ventilkörper weist auch einen Führungsweg auf, der sich von dem Ventilsitz erstreckt. Das Druckentlastungsventil weist weiter ein Ventilverschlussglied auf, welches konfiguriert ist, um an dem Ventilsitz in einer geschlossenen Position anzuliegen, und um von dem Ventilsitz in einer offenen Position versetzt zu sein, wodurch Druck aus dem Strömungsmittelsystem abgelassen wird. Das Druckentlastungsventil weist auch ein Flussglied auf, welches einen Schaft und eine Flussplatte aufweist. Der Schaft ist betriebsmäßig mit dem Ventilverschlussglied assoziiert und ist konfiguriert, um im Führungsweg hin und her zu laufen. Das Druckentlastungsventil weist weiter eine Ventilfeder auf, die betriebsmäßig mit dem Ventilkörper assoziiert ist. Die Ventilfeder ist konfiguriert, um eine Vorspannkraft auszuüben, um das Ventilverschlussglied über die Flussplatte gegen den Ventilsitz in der geschlossenen Position zu halten, und um das Ventilverschlussglied zur geschlossenen Position zurück zu bringen, wenn das Ventilverschlussglied in der offenen Position ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Strömungsmittelsystem gerichtet, welches eine Pumpe aufweist, die konfiguriert ist, um ein Strömungsmittel unter Druck zu setzen, und ein Druckentlastungsventil, welches konfiguriert ist, um den Druck in dem Strömungsmittelsystem zu regeln. Das Druckentlastungsventil weist einen Ventilkörper auf, der einen Einlass definiert, der konfiguriert ist, um Strömungsmittel von einem Strömungsmittelsystem aufzunehmen. Der Einlass definiert eine Querschnittsfläche. Der Ventilkörper weist weiter eine Drucksteuerzumessöffnung auf, die in einem Ventilsitz endet. Die Drucksteuerzumessöffnung definiert eine Querschnittsfläche, die kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses ist. Der Ventilkörper weist auch einen Führungsweg auf, der sich vom Ventilsitz erstreckt. Das Druckentlastungsventil weist weiter ein Ventilverschlussglied auf, welches konfiguriert ist, um an dem Ventilsitz in einer geschlossenen Position anzuliegen, und um vom Ventilsitz in einer offenen Position versetzt zu sein, wodurch der Druck aus dem Strömungsmittelsystem abgelassen wird. Das Druckentlastungsventil weist auch ein Flussglied auf, welches einen Schaft und eine Flussplatte aufweist. Der Schaft ist betriebsmäßig mit dem Ventilverschlussglied assoziiert und ist konfiguriert, um sich in dem Führungsweg hin und her zu bewegen. Das Druckentlastungsventil weist weiter eine Ventilfeder auf, die betriebsmäßig mit dem Ventilkörper assoziiert ist. Die Ventilfeder ist konfiguriert, um eine Vorspannkraft auszuüben, um das Ventilverschlussglied über die Flussplatte gegen den Ventilsitz in der geschlossenen Position zu halten, und um das Ventilverschlussglied in die geschlossene Position zurückzubringen, wenn das Ventilverschlussglied in der offenen Position ist.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Common-Rail-Brennstoffsystem (common rail = gemeinsame Druckleitung) gerichtet, um unter Druck gesetzten Brennstoff zu einem Verbrennungsmotor zu liefern. Das System weist eine Pumpe auf, die konfiguriert ist, um Brennstoff unter Druck zu setzen, und ein Druckentlastungsventil, welches konfiguriert ist, um den Druck im System zu regeln. Das Druckentlastungsventil weist einen Ventilkörper auf, der einen Einlass definiert, der konfiguriert ist, um Strömungsmittel von einem Strömungsmittelsystem aufzunehmen. Der Einlass definiert eine Querschnittsfläche. Der Ventilkörper weist weiter eine Drucksteuerzumessöffnung auf, die in einem Ventilsitz endet. Die Drucksteuerzumessöffnung definiert eine Querschnittsfläche, die kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses ist. Der Ventilkörper weist auch einen Führungsweg auf, der sich von dem Ventilsitz erstreckt. Das Druckentlastungsventil weist auch ein Ventilverschlussglied auf, welches konfiguriert ist, um an dem Ventilsitz in einer geschlossenen Position anzuliegen, und konfiguriert ist, um von dem Ventilsitz in einer offenen Position abgehoben zu sein, wodurch der Druck aus dem Strömungsmittelsystem abgelassen wird. Das Druckentlastungsventil weist weiter ein Flussglied auf, welches einen Schaft und eine Flussplatte aufweist. Der Schaft ist betriebsmäßig mit dem Ventilverschlussglied assoziiert und ist konfiguriert, um sich in dem Führungsweg hin und her zu bewegen. Das Druckentlastungsventil weist auch eine Ventilfeder auf, die betriebsmäßig mit dem Ventilkörper assoziiert ist. Die Ventilfeder ist konfiguriert, um eine Vorspannkraft auszuüben, um das Ventilverschlussglied über die Flussplatte gegen den Ventilsitz in der geschlossenen Position zu halten, und um das Ventilverschlussglied zur geschlossenen Position zurückzubringen, wenn das Ventilverschlussglied in der offenen Position ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Abbildung eines beispielhaften Strömungsmittelsystems.

2 ist eine schematische, teilweise quergeschnittene Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Druckentlastungsventils.

3 ist eine schematische, teilweise quer geschnittene Ansicht eines Teils des beispielhaften in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels.

3A ist eine schematische Teilansicht des Schnittes A-A der 3.

4A ist eine schematische, teilweise quergeschnittene Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Druckentlastungsventils, welches in einem geschlossenen Zustand gezeigt ist.

4B ist eine schematische, teilweise quergeschnittene Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Druckentlastungsventils, welches in einem vollständig offenen Zustand gezeigt ist.

4C ist eine schematische, teilweise quergeschnittene Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines Druckentlastungsventils, welches in einem teilweise offenen Zustand gezeigt ist.

Detaillierte Beschreibung

1 veranschaulicht ein beispielhaftes Strömungsmittelsystem 10. Das Strömungsmittelsystem 10 ist ein Brennstoffsystem zum Liefern von Brennstoff zu einem Verbrennungsmotor 12, welches ein Reservoir 14 zur Lagerung von Brennstoff aufweisen kann, weiter eine Pumpe 16 zur Übertragung von Brennstoff vom Reservoir 14 zum Verbrennungsmotor 12 über eine Sammelleitung 18. Das Brennstoffsystem 10 kann konfiguriert sein, um Brennstoff zum Verbrennungsmotor 12 unter Druck zu liefern, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 300 bar bis ungefähr 2000 bar (beispielsweise von ungefähr 1000 bar bis ungefähr 2000 bar (beispielsweise ungefähr 1600 bar)). Um zu verhindern, dass der Druck im Strömungsmittelsystem 10 eine unerwünscht hohe Größe erreicht, kann das Strömungsmittelsystem 10 mit einem Druckentlastungsventil 20 versehen sein, beispielsweise mit einem Hochdruckentlastungsventil. Obwohl das Strömungsmittelsystem 10 zu Beispielszwecken bezüglich eines Brennstoffsystems beschrieben worden ist, können Prinzipien, die in dieser Offenbarung enthalten sind, Anwendung bei anderen Strömungsmittelsystemen finden, die dem Fachmann bekannt sind.

2 veranschaulicht ein beispielhaftes Druckentlastungsventil 20, beispielsweise ein Hochdruckentlastungsventil, und zwar zur Anwendung in einem Strömungsmittelsystem, um den Druck in dem Strömungsmittelsystem zu regeln. Andere Anwendungen des Hochdruckventils 20, die dem Fachmann bekannt sind, werden in Betracht gezogen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann das Druckentlastungsventil 20 einen Ventilkörper 22 und einen Ventilendteil 24 aufweisen. Der Ventilkörper 22 kann konfiguriert sein, um in einen Teil eines Strömungsmittelsystems, beispielsweise durch ein Außengewinde 26 eingepasst zu werden, welches an dem Ventilkörper 22 vorgesehen ist. Der Ventilkörper 22 kann weiter eine Bohrung 28 aufweisen, die mit einem Innengewinde 30 versehen ist, und eine Schulter 32, die eine ringförmige Ausnehmung 34 definiert. Der Ventilendteil 24 kann einen Halsteil 36 aufweisen, der eine Schulter 38 definiert. Der Halsteil 36 kann mit einem Außengewinde 40 versehen sein. Wenn er montiert wird, kann der Ventilendteil 24 in die Bohrung 28 des Ventilkörpers 22 über einen Gewindeeingriff zwischen dem Innengewinde 30 und dem Außengewinde 40 geschraubt werden, bis die Schulter 32 des Ventilkörpers 22 und die Schulter 38 des Ventilendteils 24 aneinander anliegen. Eine O-Ringdichtung 42 kann in der Ausnehmung 34 vorgesehen sein, sodass die Verbindung zwischen dem Ventilkörper 22 und dem Ventilendteil 24 im Wesentlichen strömungsmitteldicht ist. Anstelle dessen, dass die Ausnehmung 34 in der Schulter 32 des Ventilkörpers 22 vorgesehen wird (oder zusätzlich dazu) kann eine ringförmige Ausnehmung in der Schulter 38 des Ventilendteils 24 vorgesehen sein.

Der Ventilkörper 22 kann einen Einlass 44 aufweisen, der konfiguriert ist, um in Strömungsmittelverbindung mit einem Strömungsmittelsystem zu sein. Der Einlass 44 kann wiederum in Strömungsmittelverbindung mit einer Drucksteuerzumessöffnung 46 sein. Der Einlass 44 kann dimensioniert sein, um eine größere Querschnittsfläche zu haben als die Drucksteuerzumessöffnung 46, und eine Fase 48kann zwischen dem Einlass 44 und der Drucksteuerzumessöffnung 46 vorgesehen sein. Die Drucksteuerzumessöffnung kann an einem Ventilsitz 50 enden, der wiederum eine Flussverbindung zwischen der Drucksteuerzumessöffnung 46 und einem Führungsweg 52 vorsieht, der in Flussverbindung mit der Bohrung 28 des Ventilkörpers 22 ist.

Der Ventilendteil 24 kann eine erste Bohrung 54 und eine zweite Bohrung 56 definieren, die jeweils eine im Wesentlichen glatte zylindrische Innenfläche definieren. Der Ventilendteil 24 kann auch eine dritte Bohrung 58 in Flussverbindung mit der zweiten Bohrung 56 und einer Austrittsbohrung 60 definieren. Die Austrittsbohrung 60 kann ein Innengewinde 62 aufweisen, um verschraubbar beispielsweise eine Rückleitung aufzunehmen, um Strömungsmittel zurück in das Strömungsmittelsystem auf das Öffnen des beispielhaften Druckentlastungsventils 20 zu leiten. Die Austrittsbohrung 60 kann in einem gefasten Teil 64 enden.

Wie in 3 veranschaulicht, definiert eine Drucksteuerzumessöffnung 46 eine Längenabmessung/und eine Durchmesserabmessung d. Die Längenabmessung/kann von einem Ende der Fase 48 benachbart zur Drucksteuerzumessöffnung 46 zum Ventilsitz 50 gemessen sein, der am Ende der Drucksteuerzumessöffnung 46 gelegen ist. Die Längenabmessung/und die Durchmesserabmessung d können basierend auf einer Beziehung ausgewählt werden, sodass Strömungsmittel, welches vom Einlass 44 durch die Drucksteuerzumessöffnung 46 fließt, eine Kavitation erleidet, wenn das Strömungsmittel durch die Drucksteuerzumessöffnung 46 läuft und ein Kavitationsfeld (beispielsweise ein vollständig entwickeltes Kavitationsfeld bzw. eine Kavitationsblase) enthält, wenn es aus der Drucksteuerzumessöffnung 46 am Ventilsitz 50 austritt und in den Führungsweg 52 eintritt. Die Durchmesserabmessung d kann im Wesentlichen über die gesamte Längenabmessung/konstant sein, obwohl in Betracht gezogen wird, dass die Durchmesserabmessung d entlang der Längenabmessung/variieren kann, solange Strömungsmittel, welches vom Einlass 44 durch die Drucksteuerzumessöffnung 46 fließt, eine Kavitation erfährt, wenn das Strömungsmittel aus der Drucksteuerzumessöffnung 46 am Ventilsitz 50 austritt. Beispielsweise können die Längenabmessung/und die Durchmesserabmessung d in einem Verhältnis in Beziehung stehen, welches jeweils von ungefähr 2:1 bis ungefähr 5:1 (beispielsweise ungefähr 4:1) reicht. Beispielsweise kann die Längenabmessung/ungefähr 3,25 Millimeter sein, und die Durchmesserabmessung d kann ungefähr 0,75 Millimeter sein. Die Beziehung und diese Abmessungen sind nur beispielhaft, und andere Beziehungen und Abmessungen, die vom Fachmann bestimmt werden können, werden in Betracht gezogen.

Das Druckentlastungsventil 20 kann weiter ein Ventilverschlussglied 66 aufweisen, beispielsweise ein kugelförmiges Ventilverschlussglied, und ein Flussglied 68. Das Flussglied 68 kann einen Schaft 70 aufweisen, der konfiguriert ist, um sich in dem Führungsweg 52 hin und her zu bewegen. Der Schaft 70 und der Führungsweg 52 können konfiguriert sein, um zu verhindern, dass das Flussglied 68 fehlausgerichtet wird und/oder in der ersten Bohrung 54 des Ventilendteils 24 feststecken bleibt. Beispielsweise kann der Führungsweg 52 eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche definieren und der Schaft 70 kann geformt und bemessen sein, um zu verhindern, dass der Schaft 70 fehlausgerichtet wird und/oder im Führungsweg 52 stecken bleibt. Der Schaft 70 kann einen oder mehrere Durchlässe aufweisen, die beispielsweise durch eine oder mehrere ausgenommene Oberflächen 72 definiert werden (wie beispielsweise in 3A gezeigt), wodurch eine Flussverbindung zwischen dem Führungsweg 52 und der Bohrung 28 des Ventilkörpers 22 vorgesehen wird. Das Flussglied 68 kann weiter eine Flussplatte 74 (siehe beispielsweise die 2 und 4A4C) aufweisen, die eine oder mehrere Öffnungen 76 (beispielsweise vier Öffnungen) definiert, die konfiguriert sind, um eine Flussverbindung zwischen der Bohrung 28 des Ventilkörpers 22 und der ersten Bohrung 54 des Ventilendteils 24 vorzusehen. Das Ventilverschlussglied 66 und das Flussglied 68 sind so konfiguriert, dass das Ventilverschlussglied 66 am Schaft 70 des Flussgliedes 68 anliegt, und so dass das Ventilverschlussglied 66 am Ventilsitz 50 am Ausgang der Drucksteuerzumessöffnung 46 aufsitzt.

Mit Bezug auf 2 kann das Druckentlastungsventil 20 weiter eine Feder 78 und eine Scheibe 80 aufweisen, die konfiguriert sind, um eine Vorspannkraft gegen die Flussplatte 74 vorzusehen, sodass das Ventilverschlussglied 66 am Ventilsitz 50 aufsitzt. Die Scheibe 80 kann eine oder mehrere Öffnungen 82 definieren und kann konfiguriert sein, um in einem Ende der zweiten Bohrung 56 gegenüberliegend zur ersten Bohrung 54 aufzusitzen, die von einer Schulter 84 definiert wird. Die Feder 78 kann zwischen der Flussplatte 74 und der Scheibe 80 zusammengedrückt werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Das offenbarte Druckentlastungsventil kann auf irgendein Strömungsmittelsystem anwendbar sein, wie beispielsweise auf ein Brennstoffsystem, ein hydraulisches System oder auf irgendein anderes in der Technik bekanntes System, wo die Anwendung eines Druckentlastungsventils erwünscht sein kann. Das Druckentlastungsventil 20 kann eine einfache kostengünstige Lösung vorsehen, um die Kosten und/oder Komplexität von Druckentlastungsventilen zu verringern, die konfiguriert sind, um in einer Umgebung mit relativ hohem Druck verwendet zu werden, wie beispielsweise für ein Common-Rail-Brennstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor.

In dem beispielhaften schematisch in 1 abgebildeten Strömungsmittelsystem 10 liefert die Pumpe 16 Brennstoff unter Druck von dem Reservoir 14 zum Verbrennungsmotor 12 über die Sammelleitung 18. Das Strömungsmittelsystem 10 kann beispielsweise konfiguriert sein, um auf Drücken zu arbeiten, die von ungefähr 300 bar bis ungefähr 2000 bar reichen (beispielsweise von ungefähr 1000 bar bis ungefähr 2000 bar (beispielsweise ungefähr 1600 bar)). Das Druckentlastungsventil 20 kann ein Hochdruckentlastungsventil sein und kann konfiguriert sein, um zu verhindern, dass der Druck im Strömungsmittelsystem 10 einen Überdruckzustand erreicht (beispielsweise eine Größe über einem vorbestimmten maximal erwünschten Druck, wie beispielsweise ungefähr 2000 bar). Sobald der Druck in dem Strömungsmittelsystem 10 einen maximal erwünschten Druck erreicht, kann das Druckentlastungsventil 20 konfiguriert sein, um Druck abzulassen, bis die Größe des Drucks auf ein Niveau unter dem maximal erwünschten Druck fällt.

Mit Bezug auf 2 kann das Druckentlastungsventil 20 in einen Teil eines Strömungsmittelsystems eingepasst sein, beispielsweise über ein Außengewinde 26, welches an dem Ventilkörper 22 vorgesehen ist, sodass das Druckentlastungsventil 20 in Flussverbindung mit dem Strömungsmittelsystem ist, wie beispielsweise mit dem in 1 gezeigten Strömungsmittelsystem 10. Solange der Druck im Strömungsmittelsystem unter einem maximal erwünschten Druck bleibt, behält das Druckentlastungsventil 20 einen vollständig geschlossenen Zustand bei, in dem das Ventilverschlussglied 66 auf dem Ventilsitz 50 aufgesetzt bleibt, wie beispielsweise schematisch in 4A abgebildet.

Wenn der Druck im Strömungsmittelsystem eine Größe erreicht, die größer als ein maximal erwünschter Druck ist, drückt Strömungsmittel aus dem Strömungsmittelsystem, der im Einlass 44 und in der Drucksteuerzumessöffnung 46 gelegen ist, gegen das Ventilverschlussglied 66 mit ausreichend Kraft, um das Ventilverschlussglied 66 zu verschieben, wodurch die Vorspannkraft überwunden wird, die von der Feder 78 über die Flussplatte 74 geliefert wird, beispielsweise so, dass das Druckentlastungsventil 20 in einem vollständig offenen Zustand ist, wie schematisch in 4B abgebildet.

Wenn das Ventilverschlussglied 66 um eine Distanz x verschoben wird, kann Strömungsmittel aus dem Strömungsmittelsystem zwischen dem Ventilsitz 50 und dem Ventilverschlussglied 66 und in den Führungsweg 52 laufen. Sobald es im Führungsweg 52 ist, kann Strömungsmittel durch einen oder mehrere Durchlässe laufen, die beispielsweise durch ausgenommene Oberflächen 72 im Schaft 70 definiert sind, und schließlich in die Bohrung 28. Sobald es in der Bohrung 28 ist, kann Strömungsmittel durch eine oder mehrere Öffnungen 76 in der Flussplatte 74 und in die erste Bohrung 54 fließen, weiter durch die zweiten Bohrung 56 und durch die dritte Bohrung 58 und aus der Austrittsbohrung 60 des Ventilendteils 24, wodurch der Druck im Strömungsmittelsystem verringert wird.

Dadurch, dass man gestattet, dass Strömungsmittel über das Druckentlastungsventil 20 fließt, kann der Druck im Strömungsmittelsystem auf eine Größe unter dem maximal erwünschten Druck reduziert werden. Die Vorspannkraft, die von der Feder 78 geliefert wird, kommt vom Ausmaß ihrer Kompression bzw. ihres Federweges, was ungefähr gleich der Verschiebungsdistanz x des Ventilverschlussgliedes 66 ist. Wenn Strömungsmittel über das Druckentlastungsventil 20 fließt, wird die auf das Ventilverschlussglied 66 wirkende Kraft des Strömungsmittels verringert, wenn der Druck im Strömungsmittelsystem abfällt. Wenn die Strömungsmittelkraft verringert wird, wirkt die Vorspannkraft der Feder 78 gegen die Strömungsmittelkraft, die gegen das Ventilverschlussglied 66 aufgebracht wird, und verringert die Verschiebung x des Ventilverschlussgliedes 66, bis ein Gleichgewicht zwischen der Strömungsmittelkraft und der Vorspannkraft der Feder 78 erreicht ist. Als eine Folge kann das Druckentlastungsventil 20 einen teilweise geöffneten Zustand einnehmen, wie beispielsweise in 4C schematisch abgebildet ist.

Solang das Strömungsmittelsystem weiter in solcher Weise arbeitet, die einen Strömungsmittelsystemdruck zur Folge hat, der höher als ein maximal erwünschter Strömungsmitteldruck in Abwesenheit einer Druckentlastung ist, kann eine ausreichende Menge an Strömungsmittel weiter über das Druckentlastungsventil 20 fließen, um zu verhindern, dass das Ventilverschlussglied 66 vollständig wieder auf den Ventilsitz 50 aufsetzt, und vollständig das Druckentlastungsventil 20 schließt. Weiterhin definiert die Drucksteuerzumessöffnung 46 eine Längenabmessung 1 und eine Durchmesserabmessung d, die basierend auf einer derartigen Beziehung ausgewählt werden kann, dass das Strömungsmittel, welches vom Einlass 44 durch die Drucksteuerzumessöffnung 46 fließt, eine Kavitation erfährt, wenn das Strömungsmittel aus der Drucksteuerzumessöffnung 46 austritt. Wenn die Längenabmessung/und die Durchmesserabmessung d der Drucksteuerzumessöffnung 46 eine derartige Beziehung haben, dass eine Kavitation im Fluss des Strömungsmittels auftritt, wenn das Strömungsmittel aus dem Ventilsitz 50 austritt, wird ein Kavitationsfeld, welches Freiräume bzw. Blasen im Strömungsmittelfluss erzeugt, so gebildet, dass das Ventilverschlussglied 66 zumindest einem Teil des Kavitationsfeldes ausgesetzt ist, und eine verringerte Kraft aufgrund des Strömungsmittels erfährt, und zwar im Vergleich zu der Kraft, die ohne Kavitation auftreten würde. Aufgrund der vergleichsweise verringerten Kraft des Strömungsmittels, welches einen Kavitationsfluss gegen das Ventilverschlussglied 66 erfährt, kann das Ventilverschlussglied 66 sich entweder zu einer Position einer vergleichsweise verringerten Verschiebung x bewegen (siehe beispielsweise 4C) oder kann zum Ventilsitz 50 zurückkehren und darauf aufsetzen (siehe beispielsweise 4A), und zwar bei einem vergleichsweise höheren Strömungsmittelsystemdruck, als wenn ein Ventilverschlussglied 66 eine Öffnungskraft aufgrund eines Strömungsmittels erfahren würde, welches ohne vorhandene Kavitation fließt. Insbesondere, da ein Kavitation aufweisender Strömungsmittelfluss Leerstellen bzw. Blasen aufweist, hat das Ventilverschlussglied 66 einen verringerten Widerstand gegen den Strömungsmittelfluss im Vergleich zu einem Strömungsmittelfluss, der keine Kavitation aufweist. Wegen diesem vergleichsweise verringerten Widerstand wird die Kraft des Strömungsmittelflusses, der das Ventilverschlussglied 66 vom Ventilsitz 50 entfernt hält, bei einem gegebenen Strömungsmitteldruck im Strömungsmittelsystem verringert, und zwar im Vergleich zu dem Strömungsmittelfluss der keine Kavitation aufweist. Als eine Folge wird das Ventilverschlussglied 66 dazu tendieren, zum Ventilsitz 50 hin zurückzukehren, sodass das Druckentlastungsventil 20 gestattet, dass das Strömungsmittelsystem weiter mit einem akzeptablen Strömungsmittelsystemdruck arbeitet (beispielsweise auf einem Strömungsmittelsystemdruck, der niedriger als der maximal erwünschte Strömungsmittelsystemdruck ist, jedoch hoch genug, um einen Betrieb mit einer akzeptablen stetigen Leistung fortzusetzen).

Durch Betrieb in einem teilweise geöffneten Zustand kann das Druckentlastungsventil 20 eine stabilere Steuerung des Druckes im Strömungsmittelsystem vorsehen. Wenn beispielsweise der maximal erwünschte Strömungsmittelsystemdruck ungefähr 2000 bar ist, verschiebt sich, sobald der Druck im Strömungsmittelsystem 2000 bar erreicht, das Ventilverschlussglied 66 weg vom Ventilsitz 50 durch die Strömungsmitteldruckkraft, die die Vorspannkraft aufgrund der Feder 78 überwindet. Sobald das Ventilverschlussglied 66 verschoben worden ist, fließt Strömungsmittel durch die Drucksteuerzumessöffnung 46 und tritt am Ventilsitz 50 aus. Aufgrund der Beziehung zwischen der Längenabmessung/und der Durchmesserabmessung d erfährt das Strömungsmittel, welches am Ventilsitz 50 austritt, eine Kavitation, wodurch Leerstellen bzw. Blasen erzeugt werden. Aufgrund der Blasen gibt es eine geringere Kraft, die gegen die Vorspannkraft der Feder 78wirkt, als diese wäre, wenn das Strömungsmittel keine Kavitation beim Austritt am Ventilsitz 50 erfahren würde. Da es eine vergleichsweise geringe Kraft gibt, die das Ventilverschlussglied 66 vom Ventilsitz 50 entfernt hält, ist ein geringerer Druckabfall im Strömungsmittelsystem erforderlich, bevor das Ventilverschlussglied 66 entweder zu einem teilweise geöffneten Zustand (wie beispielsweise in 4C gezeigt) zurückkehrt oder zu einem vollständig geschlossenen Zustand zurückkehrt, sodass das Ventilverschlussglied 66 am Ventilsitz 50 aufsitzt und aufhört, Druck aus dem Strömungsmittelsystem abzulassen, wie dies beispielsweise in 4A gezeigt ist. Da der Druckabfall gering ist, kann der Druck im Strömungsmittelsystem ein vergleichsweise verringertes Ausmaß an Fluktuation erfahren, wodurch die Druckentlastung stabiler gemacht wird.

Dadurch, dass es eine stabilere Druckentlastung hat, kann das Strömungsmittelsystem weiter in akzeptabler Weise arbeiten, auch wenn das Druckentlastungsventil 20 durch wiederholte Auftretensfälle von Drücken geöffnet wird, die den maximal erwünschten Druck im Strömungsmittelsystem überschreiten. Beispielsweise können in einem Brennstoffsystem für einen Verbrennungsmotor, das im Allgemeinen konfiguriert ist, um auf Drücken zu arbeiten, die von ungefähr 300 bar bis ungefähr 2000 bar (beispielsweise von ungefähr 1000 bar bis ungefähr 2000 bar) arbeiten, gewisse Bedingungen auftreten, die zur Folge haben, dass der Druck im Brennstoffsystem 2000 bar erreicht, wodurch nötig gemacht wird, dass das Druckentlastungsventil 20 öffnet und den Überdruckzustand ablässt. Wenn diese gewissen Bedingungen anhalten oder wiederholt auftreten, kann das Druckentlastungsventil 20 eine wiederholte zyklische Bewegung zwischen vollständig geöffnet (siehe beispielsweise 4B), um Druck abzulassen, und geschlossen erfahren, sobald der Druck auf ein akzeptables Niveau gefallen ist. Damit das Brennstoffsystem Brennstoff mit ausreichend hohem und/oder ausreichend stabilem Druck liefert, um einen Betrieb des Verbrennungsmotors in erwünschter Weise fortzusetzen, muss jedoch zumindest ein gewisser minimaler Betriebsdruck im Brennstoffsystem aufrecht erhalten werden. Daher kann das Druckentlastungsventil 20 konfiguriert sein, um die Druckentlastung zu unterbrechen, bevor der Druck im Brennstoffsystem unter den minimalen Betriebsdruck abfällt. Dadurch, dass es eine Drucksteuerzumessöffnung hat, die das Ausmaß des Druckabfalls verringert, der erforderlich ist, damit das Ventilverschlussglied 66 entweder zu einem teilweise geöffneten Zustand zurückkehrt oder zum Ventilsitz 50 zurückkehrt, kann das Druckentlastungsventil 20 die Druckentlastung auf einen Strömungsmittelsystemdruck entweder verringern oder unterbrechen, der höher als der minimale Betriebsdruck des Strömungsmittelsystems ist, sodass der Verbrennungsmotor weiter in akzeptabler Weise betrieben werden kann.

Weiterhin kann dadurch, dass der Strömungsmittelfluss eine geringere Kraft auf das Ventilverschlussglied 66 aufbringt, wenn das Druckentlastungsventil 20 Druck ablässt, weniger Vorspannkraft erforderlich sein, um gegen die Strömungsmittelkraft zu wirken. Als eine Folge kann die Feder 78 so ausgewählt sein, dass sie eine vergleichsweise verringerte Federrate hat, wodurch möglicherweise die Spannung auf der Feder 78 verringert wird. Zusätzlich kann dadurch, dass man eine verringerte Federrate bzw. Federkonstante vorsieht, die Betriebslebensdauer des Ventilverschlussgliedes 66 und/oder des Ventilsitzes 50 verbessert werden, und zwar aufgrund der verringerten Auftreffkraft, wenn das Ventilverschlussglied 66 zum Ventilsitz 50 zurückkehrt.

Gemäß dem in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Druckentlastungsventil 20 konfiguriert sein, um Druck in einem Strömungsmittelsystem bei einer vorbestimmten Druckgröße zu entlasten, und zwar dadurch, dass man eine Feder 78 mit einer speziellen Federrate auswählt und/oder dadurch, dass man eine Scheibe 80 mit einer speziellen Dicke auswählt. Beispielsweise kann das Ausmaß an Vorspannkraft, welche die Feder 78 gegen die Flussplatte 74 aufbringt, eingerichtet werden durch Auswahl einer Feder mit einer speziellen Federrate und/oder durch Vorspannung der Feder 78 dadurch, dass man eine Scheibe 80 mit einer derartigen Dicke auswählt, dass die Feder 78 ein erwünschtes Ausmaß an Vorspannkraft hat.

Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Druckentlastungsventil vorgenommen werden können. Obwohl das Druckentlastungsventil bezüglich eines Brennstoffsystems beschrieben worden ist, kann beispielsweise das Druckentlastungsventil in Verbindung mit anderen Strömungsmittelsystemen verwendet werden, die Vorteil aus einer Druckentlastung ziehen können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus eine Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung des offenbarten Druckentlastungsventils offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Zusammenfassung Druckentlastungsventil

Ein Druckentlastungsventil weist einen Ventilkörper auf, der einen Einlass definiert, der konfiguriert ist, um Strömungsmittel von einem Strömungsmittelsystem aufzunehmen, weiter eine Drucksteuerzumessöffnung, die in einem Ventilsitz endet, und einen Führungsweg, der sich von dem Ventilsitz erstreckt. Das Druckentlastungsventil weist weiter ein Ventilverschlussglied auf, welches konfiguriert ist, um in einer geschlossenen Position an dem Ventilsitz anzuliegen, und konfiguriert ist, um von dem Ventilsitz in einer offenen Position abgehoben zu sein, wodurch der Druck aus dem Strömungsmittelsystem abgelassen wird. Das Druckentlastungsventil weist auch ein Flussglied auf, welches einen Schaft und einen Flussplatte aufweist. Der Schaft ist betriebsmäßig mit dem Ventilverschlussglied assoziiert und ist konfiguriert, um sich in dem Führungsweg hin in her zu bewegen. Das Druckentlastungsventil weist weiter eine Ventilfeder auf, die betriebsmäßig mit dem Ventilkörper assoziiert ist.


Anspruch[de]
Druckentlastungsventil (20), welches Folgendes aufweist:

einen Ventilkörper (22), der Folgendes definiert

einen Einlass (44) der konfiguriert ist, um Strömungsmittel von einem Strömungsmittelsystem (10) aufzunehmen, wobei der Einlass eine Querschnittsfläche definiert,

eine Drucksteuerzumessöffnung (46) die in einem Ventilsitz (50) endet, wobei die Drucksteuerzumessöffnung eine geringere Querschnittsfläche als die Querschnittsfläche des Einlasses definiert, und

einen Führungsweg (52), der sich vom Ventilsitz erstreckt;

ein Ventilverschlussglied (66), welches konfiguriert ist, um an dem Ventilsitz in einer geschlossenen Position anzuliegen, und um von dem Ventilsitz in einer offenen Position entfernt zu sein, wodurch Druck aus dem Strömungsmittelsystem abgelassen wird;

ein Flussglied (68) welches einen Schaft (70) und eine Flussplatte (74) aufweist, wobei der Schaft betriebsmäßig mit dem Ventilverschlussglied assoziiert ist und konfiguriert ist, um sich in dem Führungsweg hin und her zu bewegen; und

eine Ventilfeder (78), die betriebsmäßig mit dem Ventilkörper assoziiert ist, wobei die Ventilfeder konfiguriert ist, um eine Vorspannkraft auszuüben, um das Ventilverschlussglied über die Flussplatte gegen den Ventilsitz in der geschlossenen Position zu halten, und um das Ventilverschlussglied zur geschlossenen Position zurückzubringen, wenn das Ventilverschlussglied in der offenen Position ist.
Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuerzumessöffnung konfiguriert ist, um die Vorspannkraft zu verringern, die nötig ist, um das Ventilverschlussglied in die geschlossene Position zurückzubringen. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuerzumessöffnung eine Längenabmessung und eine Durchmesserabmessung definiert, und wobei die Längenabmessung und die Durchmesserabmessung in eifern Verhältnis in Beziehung stehen, welches von ungefähr 2:1 bis 5:1 reicht. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuerzumessöffnung so konfiguriert ist, dass, sobald das Ventilverschlussglied in der offenen Position ist, das Strömungsmittel, welches durch die Drucksteuerzumessöffnung fließt, Kavitation zeigt, wodurch ein Kavitationsfeld erzeugt wird, welches Leerstellen bzw. Blasen in dem Strömungsmittel erzeugt, welches durch die Drucksteuerzumessöffnung fließt, sodass das Ventilverschlussglied zumindest einem Teil des Kavitationsfeldes ausgesetzt ist. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, wobei die Flussplatte mindestens eine Öffnung (46) aufweist, die konfiguriert ist, um einen Strömungsmittelfluss über das Druckentlastungsventil zu gestatten. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, wobei der Schaft mindestens einen Durchlass definiert, der konfiguriert ist, um eine Flussverbindung zwischen der Drucksteuerzumessöffnung und der Flussplatte über den Führungsweg vorzusehen. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, wobei der Führungsweg und der Schaft so konfiguriert sind, dass der Schaft sich in dem Führungsweg hin und her bewegt, ohne im Führungsweg fehlausgerichtet zu werden. Strömungsmittelsystem, welches das Druckentlastungsventil nach Anspruch 1 aufweist. Verfahren zur Regelung des Druckes in einem Strömungsmittelsystem (10), welches betriebsmäßig mit einer Vorrichtung assoziiert ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:

Unter-Druck-Setzen von Strömungsmittel in dem Strömungsmittelsystem über eine Strömungsmittelpumpe (16) auf einen Druck über einem minimalen Betriebsdruck, der ausreicht, um die Vorrichtung zu betreiben; und

Entlasten des Druckes über ein Druckentlastungsventil (20) in dem Strömungsmittelsystem, wenn der Druck in dem Strömungsmittelsystem auf einen Druck angestiegen ist, der einen maximalen Betriebsdruck der Vorrichtung überschreitet, wobei das Druckentlastungsventil eine Drucksteuerzumessöffnung (46) aufweist, die in einem Ventilsitz (50) endet, und einen Führungsweg (52), der sich von dem Ventilsitz erstreckt,

wobei das Druckentlastungsventil den Druck in dem Strömungsmittelsystem zwischen dem minimalen Betriebsdruck und dem maximalen Betriebsdruck so hält, dass die Vorrichtung weiter arbeiten kann.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Strömungsmittelsystem ein Brennstoffsystem aufweist, welches Brennstoff aufweist, und wobei die Vorrichtung einen Verbrennungsmotor (12) aufweist, wobei das Brennstoffsystem konfiguriert ist, um unter Druck gesetzten Brennstoff zum Verbrennungsmotor zu liefern, und wobei das Verfahren aufweist, den Brennstoff auf einen Druck über ungefähr 1000 bar unter Druck zu setzen.






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