-
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 Ven tilsitzes 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 Ventilflach sitz 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 Hub wert 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 Ventil flachsitzes 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 Strömungsquer schnittsfläche, 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 Ring kanal 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 Ventil schließglied 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.