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"Ventilanordnung, insbesondere für Hochdruckpumpen"
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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere für Hochdruckpumpen,
mit ringförmigem Ventilsitz und damit zusammenwirkendem hülsenförmigem Ventilkörper,
der in Offnungs- und Schließrichtung des Ventils auf einer zylindrischen, vorzug
weise kreiszylindrischen Führungsfläche geführt ist, und mit in radialem Abstand
von der Führungsfläche zwischen den Dichtflächen des Ventilkörpers und des Ventilsitzkörpers
angeordnetem gesteuertem Ventildurchtrittsquerschnitt.
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Eine derartige Ventilanordnung ist beispielsweise aus der DE-PS 2
711 837 bekannt. Sie weist einen Ventilsitz mit einer äußeren und einer inneren
ringförmigen Dichtfläche auf. Zwischen diesen Dichtflächen befinden sich Durchlässe,
die von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Ventiles führen.
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Im geschlossenen Zustand des Ventils muß der hülsenförmige Ventilkörper
gleichzeitig auf beiden Dichtflächen aufliegen,
um einen einwandfreien
Verschluß des Ventils zu gewährleisten.
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Aus herstellungsmäßigen Gründen lassen sich diese Dichtflächen praktisch
nur als Planflächen ausführen. Diese sind Jedoch gegenüber Verschmutzungen durch
Fremdkörper im Fördermedium empfindlich und erfordern eine sehr hohe Herstellungsgenauigkeit.
Häufig rührt außerdem die Verformung des Ventilsitzes oder des Ventilkörpers inrolge
des Betriebsd-ruckes oder infolge konstruktiv bedingter Kräfte zum Abheben des Ventilkörpers
von einer seiner Dichtflächen, so daß Undichtigkeiten, erhöhter Verschleiß und ein
schlechter Wirkungsgrad unvermeidlich sind.
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Für eine einigermaßen sichere Abdichtung bei hohen und sehr hohen
DrUcken sind verhältnismäßig breite Dichtflächen erforderlich, die zu großen Erhebungsdrücken
und damit zu starker Geräuschbildung sowie zu hohen Beanspruchungen führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil der eingangs
genannten Gattung zu schaffen, welches bei einfacher Herstellbarkeit eine hohe Verschleißfestigkeit
und auch bei unter hohen Drücken zuverlässig beherrschbarer Dichtheit einen mög
lichst gleichbleibend guten Wirkungsgrad besitzt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ventilkörper unter Zwischenschaltung
eines engen, mit Drosselwirkung bei geschlossenem Ventil von der Hochdruck- zur
Niederdruckseite des Ventilkörpers führenden nach der Niederdruckseite offenen Dichtspaltes
der Führungsfläche geführt ist.
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Der Dichtspalt ersetzt somit am Ventilsitz und am Ventilkörper jeweils
eine Dichtfläche und erlau eine große Freiheit bei der Gestaltung der verbleibenden
Dichtflächen.
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Die Führungsfläche kann den Ventilkörper umschließen, beispielsweise,
wenn der Ventilkörper in einem Rohr geführt ist.
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Vorzugsweise umschließt jedoch der Ventilkörper die Führungsfläche,
die beispielsweise durch die Außenseite eines Ftihrungsstabes gebildet werden kann
Insbesondere ist die Anordnung derart getroffen, daß der Ventilkörper eine seiner
Gleitfläche mit radialem Abstand gegenüberliegende Mantelfläche aufweist, die bei
geschlossenem Ventil Uber ihre axiale Länge vom Hochdruck beaufschlagt ist, derart,
daß auf den Ventilkörper radiale Druckkräfte in einer den Dichtspalt von der Hochdruck-
zur Niederdruckseite verengenden Richtung einwirken.
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Im geschlossenen Zustand des Ventiles nimmt der Druck im Dichtspalt
von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Ventiles stetig ab, während die
auf die Mantelflächen des Ventilkörpers einwirkenden Druckkräfte im wesentlichen
ortsunabhängig konstant sind. Dies bedeutet, daß sich die in radialer Richtung und
Gegenrichtung auf den Ventilkörper einwirkenden Druckkräfte nur auf der Hochdruckseite
des Dichtspaltes aufheben, während mit zunehmender Entfernung von der Hochdruckseite
die Differenz
zwischen dem Druck auf die Mantelfläche und dem Druck
innerhalb des Dichtspaltes wächst und der Dichtspalt von der Hochdruckseite in Richtung
zur Niederdruckseite zunehmend verengt wir.d, und zwar umso mehr, Je höher der Nediumdruck
ist. Der durch den Dichtspalt verursachte Leckverlust kann dadurch prak tisch unabhängig
vom Mediumdruck gehalten oder mit zunehmendem Druck unter Umständen sogar verringert
werden.
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Wie sich erwiesen hat, läßt sich die günstigste Wirkung in dieser
Hinsicht erreichen, wenn der Ventilkörper zur Niederdruckseite hin eine zunehmende
radiale Dicke aufweist, so daß die Steifigkeit des Ventilkörpers entsprechend der
zunehmenden Belastung wächst und eine unzulässige Verengung bis zur BerWhrunE der
Gleitfläche des Ventilkörpers mit der Führungsfläche verhindert wird. Zugleich tritt
eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers auf seiner Führungsfläche unter der Wirkung
der den Dichtspalt durchströmenden Flüssigkeit auf.
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Die Weite des Dichtspaltes bei vom Hochdruck unbelastetem Ventilkörper
beträgt vorteilhart - Je nach Abmessung der Ventile -Bruchteile von 1 mm, vorzugsweise
etwa 0,01 bis etwa 0,1 mm.
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FWhrungsfläche, Ventilsitz und Ventilkörper können zu einer Baueinheit
dadurch vereinigt werden, daß der Ventilkörper auf einem stab- oder rohrförmigen
Fortsatz des die Führungsfläche aufweisenden Ventilsitzkörpers zentriert ist.
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Dabei kann der Ventilsitzkörper einen zentralen Stab- oder Rohrkörper
aufweisen, auf dem ein mittels radialer Stege zentrierter Ring befestigt ist, der
die ringförmige Nicht fläche des Ventilsltzes trägt, wobei ein Bereich der Außenseite
des Stab- oder Rohrkörpers die Führungsfläche für den auf dieser mit Dichtspalt
geführten Ventilkörper bildet, und wobei zwischen den Stegen Durchlässe freibleiben,
die von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite des Ventilsitzkörpers führen. Vorzugsweise
ist der Ring des Ventilsitzkörpers auf den Stab- oder Rohrkörper aufgeschrumpft.
Ein derartig aufgebauter Ventilsitzkörper läßt sich einrach herstellen und ist hohen
Wechselbeanspruchungen gewachsen, da das Materialgefüge des Ventilsitzkörpers im
Bereich des Uberganges vom Stab- bzw.
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Rohrkörper zu den Stegen des Ringes ungestört ist, so daß Kerbspannungen
und damit einhergehende Spannungsrisse vermieden werden.
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Durch die Erfindung ist es mit besonderem Vorteil möglich, die Dichtflächen
am Ventilsitz und Ventilkörper kegelförmig aus zu bilden, da trotz der außerhalb
der Ventilachse ringförmig angeordneten Durchtrittsöffnungen für das gesteuerte
Medium nur eine einzige kreisringförmige Dichtfläche notwendig ist, deren zuverlässige
Abdichtung infolge der berührungslosen Zentrierung des Ventilkörpers auf dessen
Führungsfläche praktisch keine Schwierigkeiten bereitet. Zugleich ist die Gefahr
von Ablagerungen, Verschmutzungen und Korrosionen an den Dichtflächen nur gering.
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Zusätzlich wird durch kegelförmige Dichtflächen eine hohe Dichtigkeit
erreicht.
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Dieon der Dichtfläche abgewandte. Stirnseite des Ventilsitzkörpers
ist vorzugsweise als Widerlager für eine Ventilfeder ausgebildet, dergestalt, daß
bei hintereinander angeordneten Ventilen eine Ventilfeder zwischen dem Ventilkörper
des einen und dem Ventilsitzkörper des anderen Ventils einspannbar ist.
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Der Stab- oder Rohrkörper und/oder der Ring des Ventilsitzkörpers
sind vorzugsweise gehärtet. Dieses ist wegen der einfachen Form dieser Teile ohne
weiteres möglich und erhöht die Verschleißfestigkeit. Andererseits kann der Ventilsitz
bzw.
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Ventilsitzkörper z.B. als Feingußteil hergestellt werden.
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Der Ventilkörper kann vorteilhafterweise ebenfalls gehärtet und als
einfaches Drehteil ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Ventilsitzkörper
von Saug- und Druckventil unmittelbar axial gegeneinander abgestützt und auf ihrer
radialen Innenfläche und/oder auf ihrer radialen Außenfläche auf bzw. in gleichen
Zentrierflächen eines Tragelementes bzw. Gehäuses gemeinsam zentriert. Ventilsitzkörper
und Ventilkörper können zu einer einbaufertigen Einheit vereinigt sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die
in der Zeichnung dargestellt sind, noch weiter erläutert.
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Dabei zeigt Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Pumpenaggregat
mit Saug- und Druckventilanordnung, Fig. 2 einen Längsschnitt eines Ventilsitzkörpers,
Fig. 3 einen Längsschnitt eines weiteren Ventilsitzkörpers und Fig. 4 ein Schnittbild
entsprechend der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Pumpenzylinder 1 mit einem Kolben 2,
der sich entsprechend dem Pfeil x hin- und herbewegt, wobei eine Bewegung nach rechts
den Druckhub und eine Bewegung nach links den Saughub darstellt.
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Der Pumpenzylinder 1 mündet in einen zylindrischen Innenraum 3 eines
Ventilgehäuses 4, das z.B. einen Teil des Pumpengehäuses bildet.
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Der gestufte zylindrische Innenraum 3 ist beidseitig verschlossen,
beispielsweise durch Deckel 5 und 6. Innerhalb des zylindrischen Innenraumes 3 ist
eine vormontierte Ventileinheit 7 eingesetzt, welche einerseits gegen eine Stufe
3' des zylindrischen Innenraumes und andererseits gegen eine schematisch als Pfeil
dargestellte Druckschraube 8 am Deckel 5 abgestützt ist.
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Die Ventileinheit 7 weist einen Spannbolzen 9 auf, auf dem die Teile
der Ventileinheit 7 gleichachsig hintereinander angeordnet sind. Zwischen den Muttern
10 und 11 des Spannbolzens 9 sind eine ringförmige Abschlußplatte 12, ein erster
Ventilsitzkörper 13a, ein gleich ausgebildeter zweiter Ventilsitzkörper 13b und
eine Zentrierplatte 14 eingespannt, welche eine oder mehrere Öffnungen 14' besitzt,
die von einer Stirnseite der Zentrierplatte zur anderen Stirnseite führen.
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Die Ventilsitzkörper 15a und 13b besitzen rohrförmige Fortsätze lna'
und 15b1, auf denen ring- oder hülsenförmige Ventilkörper 15a und 15b geführt sind.
Dabei weisen die rohrför migen Fortsätze 13a' und 13b' zylindrische Führungsflächen
16a bzw. 16b auf, auf denen die Ventilkörper 15a,b mit entsprechenden Gleitflächen
17a, 17b gleiten. Zwischen den Fhrungsflächen 16a,b und den Gleitflächen 17a,b befindet
sich ein beiderseits offener axialer Dichtspalt 18a bzw. 18b, der ein berWhrungsloses
Gleiten der Ventilkörper 15a,15b auf den Ventilsitzkörpern lna,13b ermöglicht. Seine
radiale Weite beträgt nur einen kleinen Bruchteil von 1 mm, vorzugsweise etwa zwischen
0,005 und 0,02mm.
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In radialem Abstand von den Führungsflächen 16a,b sind an den Ventilsitzkörpern
13a,b kegelförmige Dichtflächen 19a,b angeordnet, die mit entsprechenden Dichtflächen
an den Ventilkörpern 15a,b zur Steuerung der Ventildurchtrittsquerschnitte zusammenwirken.
Zwischen den Dichtflächen l9ajb und den FUhrungsflächen
16a,b
besitzen die Ventilsitzkörper 15alb jeweils eine ringförmige Vertiefung 20a,20b,
von denen aus Durchlaßöffnungen 21a,21b zur gegenüberliegenden Stirnseite der Ventilsitzkörper
13a,b führend wobei die Durchlaßöffnungen 21b in die Öffnungen 14' der Zentrierplatte
14 münden. Ventilfedern 22a und 22b beaufschlagen die Ventilkörper 15a,b in schließender
Richtung zu den Durchlaßöffnungen 21a,b. Die Ventilfeder 22a ist gegen die Abschlußplatte
12 abgesetzt, für die Ventilfeder 22b dient der Ventilsitzkörper 15a als Widerlager.
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In den Teil 3b des zylindrischen Innenraumes 3 zwischen dem Deckel
6 und der Zentrierplatte 14 mundet eine nicht dargestellte Saugleitung, vom Teil
3a des zylindrischen Innenraumes zwischen dem Ventilsitzkörper 15a und der Abschlußplatte
12 zweigt eine nicht dargestellte Druckleitung ab. Somit bilden der Ventilsitzkörper
15b und der Ventilkörper 15b das Saugventil und der Ventilsitzkörper 13a und der
Ventilkörper 15a das Druckventil der Ventilanordnung.
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Beim Saughub des Kolbens 2 ist das Druckventil geschlossen und das
Saugventil geöffnet, während beim Druckhub des Kolbens 2 das Saugventil geschlossen
und das Druckventil geöffnet ist.
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Dabei wird in bekannter Weise ein Fördermedium von der Ansaugleitung
zur Druckleitung gefördert.
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Im geschlossenen Zustand der Ventile liegen die Ventilkörper 15a und
15b jeweils nur auf den kegelförmigen Dichtflächen 19a
und l9b
dicht auf. Zwischen den Gleitflächen 17alb und den Führungsflächen l6a,16b bleibt
dagegen der Dichtspalt 18a, 18b, welcher von der Hochdruckseite des Jeweiligen Ventils
zur Niederdruckseite führt und den Hochdruck åbdrosselt. Im Dichtspalt findet also
eine 1,berührungsfreie1, Dichtung statt.
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Unter dem Einfluß der Druckkräf.te, die auf die Mantelflächen der
Ventilkörper 15a,15b einwirken, verformen sich diese elastisch, so daß die Dichtspalte
18a,18b im vorbeschriebenen Sinne zur Niederdruckseite hin verengt werden. Dies
führt zu einer wirksamen Abdichtung unter gleichzeitiger Selbstzentrierung der Ventilkörper.
Durch den Dichtspalt fließt hierbei nur eine geringe Leckmenge, die den Wirkungsgrad
der Pumpenanordnung praktisch nicht beinflußt und, wie die Erfahrung gezeigt hat,
in der Regel geringer ist als die" Leckmenge, die bei dichter zylindrischer Führung
des Ventilkörpers infolge Verformung des Dichtkörpers durch die gesteuerten Ventildurchtrittsquerschnitte
hindurchtreten würde. Die Leckmenge ist unter Umständen umso kleiner, je größer
die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckende des Dichtspaltes
ist.
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Gegebenenfalls können aus der Hydraulik bekannte Entlastungsnuten
25 an den Gleitflächen 17a,17b oder auch an den Führungsflächen 16a,16b angeordnet
sein, um einen sicher tragenden und schmierenden Fluidfilm in den Dichtspalten 18a,b
zu gewährleisten.
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Die Fig. 2 bis 4 zeigen weitere Beispiele für Ventile und deren Ventilsitzkörper.
Die Ventilsitzkörper 130 in Fig. 2 besitzen keine axiale Bohrung zur Aufnahme eines
Spannbolzens, wie er nach Fig. 1 vorgesehen ist. Zur Führung des Ventilkörpers 15
dient der stabförmige Fortsatz 130'. Die Durchlaßöffnungen 21 verlaufen wie im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 unter einem Winkel zur Längsachse, so daß sie auf der vom Ventilkörper
15 abgewandten Stirnseite des Ventilsitzkörpers 130 einen vergrößerten radialen
Abstand haben.
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Diese Stirnseite kann daher als Widerlager für die Ventilfeder 22
eines in axialer Richtung vorgeschalteten Ventiles benutzt werden, ohne daß die
Ventilfeder 22 die Durchlaßöffnungen 21 teilweise versperrt.
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In den Fig. 3 und 4 besteht der Ventilsitzkörper aus einem Stab bzw.
Rohr 230, auf dem ein mittels radialer Stege 231 zentrierter Ring 232 aufgeschrumpftvist.
Zwischen den Stegen 231, dem Rohr 230 und dem Ring 232 bleiben axiale Durchlässe
233 frei. Der Ring 232 weist eine kegelförmige Dichtfläche 239 auf, die mit einer
entsprechenden Dichtfläche des Ventilkörpers 15 zusammenwirkt. Die Ventilfeder 22
ist gegen einen Federteller 240 abgestUtzt, der als Anschlag für den Ventilkörper
15 dient.
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Das Rohr 230, der Ring 252 und der Ventilkörper 15 können gehärtet
sein.
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