DE10015576B4

DE10015576B4 - Anordnung eines Ventils in einer von einem Tankgefäß zu einer oberhalb des Tankgefäßes angeordneten Brennkraftmaschine führenden Treibstoff-Förderleitung

Info

Publication number: DE10015576B4
Application number: DE2000115576
Authority: DE
Inventors: Harald Kiowsky; Eleftherios Rodousakis
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: ITMI20010264A0; US20010025629A1; GB0105920D0; FR2806974B1; FR2806974A1; JP2001304060A; GB2360826B; JP4546658B2; ITMI20010264A1; DE10015576A1; US6668802B2; GB2360826A

Abstract

Anordnung eines Ventils in einer von einem Tankgefäß zu einer oberhalb des Tankgefäßes angeordneten Brennkraftmaschine führenden Treibstoff-Förderleitung, in der im Stillstand eine Treibstoffsäule steht, mit einem einen Einlass- und Auslasskanal umfassenden Ventilgehäuse und einem an einem Schaft (52) geführten Tellerventil (50) zur Abdichtung des Auslasskanals gegenüber dem Einlasskanal, wobei im Tellerventil (50) koaxial ein zweites Ventil (60) angeordnet ist, welches entgegen der Förderrichtung als Überdruckventil wirkt, wenn auf der Seite des Auslasskanals (56) ein größerer Druck auftritt als auf der Seite des Einlasskanals (53), wobei das zweite Ventil (60) als zylindrische Ventilnadel (62) ausgebildet ist und unter Einhaltung eines Durchgangsspaltes, in dem eine als Schließfeder ausgebildete Schraubenfeder (601) angeordnet ist, in einer axialen Durchgangsbohrung (57) des Ventilschafts (52) geführt ist, wobei ein konisches Ende der Ventilnadel (62) mit der Durchgangsbohrung (57) in deren Mündungsbereich einen Kegelventilsitz (570) ausbildet und die Schraubenfeder (601) auf einen Grenzwert für eine Umschaltung des Ventils (60) zwischen Schließ- und Öffnungsposition einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Ventils in einer von einem Tankgefäß zu einer oberhalb des Tankgefäßes angeordneten Brennkraftmaschine führenden Treibstoff-Förderleitung.
Die Tankanlage eines Fahrzeuges zur Versorgung dessen Antriebs mit flüssigem Treibstoff besteht mindestens aus einem Tankgefäß, das mit Treibstoff füllbar ist. Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug (z. B. Automobil), ein Schifffahrzeug oder ein Luftfahrzeug (z. B. Flugzeug, Drehflügler) sein. Der Antrieb erfolgt durch eine Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine kann somit ein Verbrennungsmotor oder ein Triebwerk sein. Gemeinsam ist beiden eine Versorgung mit flüssigem Treibstoff (Benzin, Kerosin). Der Treibstoff wird vom Tankgefäß mittels einer Förderpumpe in einer Förderleitung zum Antrieb gefördert. Zwischen Förderpumpe und Brennkraftmaschine ist in die Förderleitung eine Ventilanordnung angeordnet. Die Ventilanordnung soll bei Stillstand der Brennkraftmaschine die Förderleitung schließen und ein rasches Absinken des Treibstoffpegels in der Förderleitung verzögern bzw. vermeiden. Diese Ventilanordnung ist bekannterweise als Rückschlagventil ausgebildet.
Bei Stillstand des Antriebs nach einer Betriebsphase kommt es in einer heißen Klimazone zu einer Ausdehnung des Treibstoffs in der Tankanlage. Problematisch ist eine Ausdehnung des Treibstoffs in der Förderleitung, die ein Tankgefäß mit der Brennkraftmaschine verbindet. Die Förderleitung ist in der Regel mit einer Treibstoffpumpe im Tankgefäß befindend und einer Einspritz-Baugruppe der Brennkraftmaschine verbunden. Nach einem Stillstand der Brennkraftmaschine liegt der Treibstoffpegel in der Förderleitung über deren gesamten Länge an. Infolge hoher Außentemperatur erfolgt eine zusätzliche Erwärmung des Treibstoffs und somit eine unzulässig erhöhte Druckbelastung der Förderleitung und den damit verbundenen Baugruppen. Es besteht somit die Gefahr einer Treibstoffleckage in unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine, die durch die erhöhte Druckbelastung der Förderleitung auslösbar ist. Die Treibstoffleckage besteht vorzugsweise im Bereich der Verbindungsstellen der Förderleitung. Bei Treibstoffleckage der Förderleitung besteht Brandgefahr.
Das Dokument US 3 153 423 A offenbart ein Ventil mit einem einen Einlass- und Auslasskanal umfassenden Ventilgehäuse und einem an einem Schaft geführten Ventilkörper zur Abdichtung des Auslasskanals gegenüber dem Einlasskanal, wobei im Ventilkörper koaxial ein zweites Ventil angeordnet ist, welches entgegen der Förderrichtung als Überdruckventil wirkt, wenn auf der Seite des Auslasskanals ein größerer Druck auftritt als auf der Seite des Einlasskanals. Das zweite Ventil ist als zylindrische Ventilnadel ausgebildet und unter Einhaltung eines Durchgangsspaltes, in dem eine als Schließfeder ausgebildete Schraubenfeder angeordnet ist, in einer axialen Durchgangsbohrung des Ventilschafts geführt, wobei ein konisches Ende der Ventilnadel mit der Durchgangsbohrung in deren Mündungsbereich einen Kegelventilsitz ausbildet und die Schraubenfeder auf einen Grenzwert für eine Umschaltung des Ventils zwischen Schließ- und Öffnungsposition einstellbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine flüssigen Treibstoff verbrennende Brennkraftmaschine die Leckagegefahr an der Förderleitung zu vermeiden. Dabei umfasst die Aufgabe auch, zusätzlichen Raumbedarf zur Lösung der Aufgabe zu vermeiden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist ein im Ventil im Wesentlichen koaxial angeordnetes anderes Ventil entgegen der Förderrichtung in Öffnungsposition, wenn auf Seite des Auslasskanals ein größerer Druck als der Förderdruck vorhanden ist. In axialer Richtung des Ventils ist durch den Ventilteller und dessen Ventilstange hindurch eine Durchgangsbohrung geführt, die eine Führung darstellt und die einen Ventilsitz an der Mündung in Richtung Auslasskanal ausgebildet hat.
In dieser Führung ist das andere Ventil mit seiner Ventilstange führbar. Zwischen der Ventilstange des anderen Ventils und der Wandung der Durchgangsbohrung ist ein Spalt eingehalten, der sich über die Länge der Durchgangsbohrung erstreckt. Diese in der Ventilstange geführte andere Ventilstange ist an einem Ende zu einem Ventilkonus ausgebildet, der mittels eines Widerstandsmittels dichtend am Ventilsitz der Durchgangbohrung positionierbar ist. Der Ventilkonus ist entgegen der Förderrichtung öffenbar. Dies entspricht einer konstruktiv einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung.
Die Ventilstange ist entgegen einer Kraft des Widerstandsmittels in der Führung verschiebbar.
Das Widerstandsmittel ist als Federmittel z. B. als Spiralfeder ausgestaltet.
Das Widerstandsmittel für den Ventilkonus besitzt einen einstellbaren Grenzwert für eine Umschaltung des anderen Ventils zwischen Schließ- und Öffnungsposition. Bei Überschreitung eines Grenzwertes für beispielsweise eine definierte Federkraft des Widerstandsmittels erfolgt eine Umschaltung von der Schließposition in die Öffnungsposition. Der Grenzwert für die Federkraft ist ein Äquivalent für einen bestimmten Druck in der Förderleitung, der grösser ist als der Förderdruck.
Die Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise im Ventilteller eines Rückschlagventils einen Ventilkonus eines entgegen der ursprünglichen Förderrichtung wirkenden Ventils anzuordnen. Dadurch wird vorteilhafterweise kein zusätzlicher Bauraum beansprucht. Es sind zwei Ventile koaxial in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer einzigen Ventilanordnung integriert.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung ermöglicht es, bei Betrieb der Brennkraftmaschine als Rückschlagventil zu arbeiten und andererseits im Stillstand selbständig als Überdruckventil zu arbeiten. Das erfindungsgemäße Ventil ist in bestehende Treibstoffsysteme ohne nennenswerten Montageaufwand und somit kostengünstig integrierbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1: Schematisierter Längsschnitt einer Tankanlage eines Hubschraubers mit Fördermitteln für den Treibstoff und einer Brennkraftmaschine
2: Aufbau der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung wird am Beispiel einer Treibstoffanlage eines Luftfahrzeuges, dem Hubschrauber, beschrieben. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist nicht auf Luftfahrzeuge beschränkt, sondern auch für Kraftfahrzeuge wie beispielsweise PKWs, die mit flüssigem Treibstoff arbeiten, oder Schifffahrzeugen geeignet.
1 zeigt in einem schematisierten Längsschnitt die Tankanlage eines Hubschraubers, die Fördermittel für den Treibstoff und ein Triebwerk.
In der Bodenschale 1 einer Hubschrauberzelle sind Haupttank 3 und Entnahmetank 2 hintereinanderliegend angeordnet. Der Haupttank 3 liegt in Richtung Cockpit A, der Entnahmetank 2 in Richtung Heck B der Hubschrauberzelle. Der Einfüllstutze 6 für die beiden Tankgefäße befindet sich im Haupttank 3. Beide Tankgefäße sind durch eine Überlaufleitung 4 verbunden. Die Überlaufleitung 4 dient dem Treibstoffausgleich aufgrund fluglagenbedingter Änderung des Treibstoffspegels.
Eine Treibstoffpumpe 5 mit Verbindungsleitungen verbindet ebenfalls den Haupttank 3 mit dem Entnahmetank 2. Dadurch wird gewährleistet, daß der Entnahmetank 2 stets gefüllt bleibt, während zuerst der Haupttank 3 entleert wird.
Haupttank 3 und Entnahmetank 2 besitzen selbstdichtende Entlüftungsventile 7, 8. An die beiden Entlüftungsventile 7, 8 sind Be- und Entlüftungskanäle 9 angeschlossen, die außerbords münden.
Im Entnahmetank 2 ist eine Förderpumpe 10 angeordnet, die mit einem Teil einer Förderleitung 11 strömungstechnisch verbunden ist. In die Förderleitung ist die erfindungsgemäße Ventilanordnung 12 eingebunden. Vom Auslaßkanal der Ventilanordnung 12 führt der andere Teil der Förderleitung 111 weiter zur Einspritzanlage 13 eines Triebwerks 14. Beim Stand des Hubschraubers auf einer Standfläche 15 ist die Bodenfläche L des Hubschraubers stets in einem Winkel α von ca. 3° gegenüber der Standfläche 15 geneigt. Dies wird durch den Treibstoffpegel 16 deutlich gemacht.
Bei Betrieb des Triebwerks 14 fördern die Fördermittel, d. h. die Förderpumpe 10 mittels der Förderleitung 11 Treibstoff in die Ventilanordnung 12. Dabei baut die Förderpumpe 10 einen Förderdruck auf. Bei vorhandenem Förderdruck öffnet die Ventilanordnung 12 in Strömungsrichtung und der Treibstoff kann über die Förderleitung 111 zur Einspritzanlage 13 des Triebwerks 14 gefördert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Förderpumpe 10 in der Förderleitung 11 angeordnet ist.
2 zeigt Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktion der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 12. Der druckseitige Ausgang der Förderpumpe 10 fördert bei Betrieb des Triebwerkes 14 Treibstoff 160 mit relativ niedrigem Druck (Förderdruck) durch die Förderleitung 11 in ein Ventil 50 der Ventilanordnung 12. Der Förderdruck bekannter Hubschraubertypen ist bekannt. Durch den Förderdruck der Förderpumpe 10 öffnet das Ventil 50 gegen den Widerstand eines Widerstandsmittels 501. Das Widerstandsmittel 501 kann z. B. eine Spiralfeder sein. Da das Triebwerk 14 oberhalb der Tankanlage angeordnet ist, ist eine Funktion des Ventils 50 auch möglich, wenn das Widerstandsmittel 501 als Bauteil nicht vorhanden ist. Im Stillstand übernimmt die Treibstoffsäule mit ihrem Gewicht zwischen Ventilanordnung 12 und Einspritzanlage 13 die Funktion eines Widerstandsmittels, deren Gewichtskraft (der Treibstoffsäule) beim Start der Brennkraftmaschine zu überwinden wäre.
In diesem Öffnungszustand des Ventils 50 strömt Treibstoff 160 durch das geöffnete Ventil 50 von der Position U in Richtung der Position V.
Der Ventilteller 51 mit Dichtung 510 hebt sich bei Betrieb der Pumpe 10 von der inneren Gehäusewand 511 der Ventilanordnung 12 und schiebt die mit Ventilteller 51 verbundene Ventilstange 52 in einer Führung 520 in Richtung zur Längsachse LA des Ventils 50. Der Treibstoff strömt von Position U des Einlasskanals 53 über Kammer 54 mit Kanälen 55 in den Auslasskanal 56 in Richtung Position V.
Mit Beginn des Stillstands des Triebwerks 14 wird die Förderpumpe 10 von einer Steuerung (nicht bildlich dargestellt) ebenfalls stillgesetzt, d. h. der relativ niedrige Förderdruck fällt. Das Ventil 50 schließt die Durchflußrichtung U–V. Der Ventilteller 51 liegt mit seiner Dichtung 510 an der inneren Gehäusewand 511 dicht an. Dadurch bleibt der Druck in der Förderleitung 111 oberhalb der Ventilanordnung 12, d. h. auf Seite der Position V der Förderleitung 111 konstant. In das Ventil 50 wurde ein weiteres Ventil 60 integriert, d. h. in den Ventilteller 51 mit Ventilstange 52 wurde ein gegenläufig sperrendes bzw. öffnendes Ventil 60 integriert. Zu diesem Zweck wurde längs (axial) in der Ventilstange 52 eine Durchgangsbohrung 57 geführt, die sich im Ventilteller 51 absatzweise erweitert und in den Einlaßkanal 53 mündet. In dieser den Einlaßkanal 53 und den Auslaßkanal 56 verbindenden Durchgangsbohrung 57 ist das Ventil 60 angeordnet. Bemerkenswert ist, daß die Wandung im Mündungsbereich der Durchgangsbohrung 57 konisch gestaltet ist. Dieser Mündungsbereich der Durchgangsbohrung mündet in den Auslaßkanal 56.
Das Ventil 60 wird gebildet von einer Ventilstange 62, die an einem Ende einen Ventilkonus 61 ausgebildet hat.
Dieser Ventilkonus 61 dichtet im Schließzustand mittels Widerstandsmittel 601 an der konischen Wandung im Mündungsbereich der Durchgangsbohrung 57. Der Ventilkonus 61 öffnet gegen die Kraft eines Widerstandsmittels 601 im Mündungsbereich der Durchgangsbohrung 57.
Bei Durchfluß vom Treibstoff (mit Förderdruck) durch das Ventil 50 von Position U nach Position V ist das Ventil 60 geschlossen.
Bei Stillstand des Triebwerks 14 und damit Stillstand der Pumpe 10 bleibt das Ventil 50 geschlossen. Bei diesem Schließzustand des Ventils 50 kann sich infolge Erwärmung des Treibstoffs durch heiße Umgebungstemperatur ein höheres Druckniveau als der Förderdruck in dem Abschnitt der Förderleitung 111 aufbauen. Der Druck in der Förderleitung 111 zwischen Ventilanordnung 12 und Einspritz-Anlage 13 steigt und erreicht einen definierten, einstellbaren Grenzwert für das Ventil 60. Mit Überschreiten des Grenzwertes drückt der Treibstoff gegen den Widerstand eines Widerstandsmittels 601 das Ventil 60 in eine Öffnungsposition, so daß Treibstoff von der Seite des Auslaßkanals 56 über einen Spalt zwischen Ventilstange 62 und Wandung der Durchgangsbohrung 57 in den Einlaßkanal 53 entweichen kann.
Der Spalt ist über die Länge der Durchgangsbohrung 57 geführt bis unterhalb des Ventilkonus 61. Dichtet der Ventilkonus 61 ist auch der Spalt abgedichtet.
Der Aufbau eines höheren Drucks als dem Förderdruck auf Ventil 60, öffnet Ventil 60, so daß der erhöhte Druck im Abschnitt der Förderleitung 111 abgebaut werden kann. Wird der Grenzwert des Drucks auf Seite des Auslaßkanals 56 unterschritten, wird das Ventil 60 zurück in Schließlage geführt, d. h. der Ventilkonus 61 dichtet an der konisch geführten Wandung in dem Mündungsbereich der Bohrung 57 den Ventilsitz 570. Somit ist der Auslaßkanal 56 vom Einlaßkanal 53 getrennt. Der einzustellende Grenzwert wird durch Dimensionierung zum Beispiel der Steifigkeit des Widerstandsmittels 601 einstellbar gemacht. Das Widerstandsmittel kann beispielsweise eine Spiralfeder mit definierter Federsteifigkeit sein. Es sind aber auch andere z. B. elektromechanisch wirkende Widerstandsmittel einsetzbar. Der Grenzwert wird durch Berechnung oder empirisch ermittelt und mittels Widerstandsmittel realisiert.
Der ebenfalls erhöhte Druckpegel zwischen Ventilanordnung 12 und Pumpe 10 ist ausgleichbar indem Treibstoff durch bekannte Art und Weise in das Tankgefäß zurückweichen kann.
Vorteilhafterweise verhindert die erfindungsgemäße Lösung eine Beschädigung von Leitungen und Baugruppen (Pumpe, Einspritz-Anlage), die unzulässigerweise mit erhöhtem Druck belastet werden können. Es wird damit deutlich die Gefahr einer Leckage infolge Überdruck im Bereich der Förderleitung reduziert.
Indem im Ventilteller eines Rückschlagventils der Ventilkonus eines gegensätzlich wirkenden Rückschlagventils angeordnet ist, wird vorteilhaft kein zusätzlicher Bauraum beansprucht. Der Verzicht auf zusätzlichen Bauraum für das Treibstoffsystem ist ein wichtiger Vorteil, der erreicht wurde, indem zwei Ventile koaxial in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem einzigen Ventil integriert wurden. Diese erfindungsgemäße Ventilanordnung 12 mit den beiden erläuterten Funktionen wird Rückschlag Überdruckventil genannt, da es einerseits z. B. im Flugbetrieb als Rückschlagventil arbeitet und andererseits im Stillstand selbständig als Überdruckventil arbeitet.
Die Lösung bietet weiterhin den Vorteil, daß das Rückschlag-Überdruckventil 12 in bestehende Treibstoffsysteme ohne nennenswerten technischen Montageaufwand und somit kostengünstig integrierbar ist.