EP0193640A1 - Sitzventileinrichtung - Google Patents
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
- F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
Definitions
- the invention relates to a seat valve device according to the preamble of patent claim 1.
- Such a seat valve device is described, for example, in the "Handbook of Motor Vehicle Technology" by Buschmann / Koessler Volume 1, pages 199 and 200.
- a compressor which is to switch from the delivery phase to the idling phase when a predetermined pressure is exceeded in a compressed air device connected to the compressor. Switching from the delivery phase to the idle phase is done in such a way that one of the specified pressure in the compressed air device controlled actuating device moves the valve lifter of the seat valve device into a position in which the compression chamber of the compressor is connected to the suction chamber. In this switching position of the seat valve device, the compressor operates largely without pressure in the idling phase.
- valve tappet is moved back into its starting position by the actuating device, in which the connection between the compression chamber and the suction chamber that is present through the seat valve device is closed and the compressor is working in the delivery phase.
- the cam-controlled valve tappet of which is resiliently suspended in the opening direction without a fixed stop
- the cam-controlled valve tappet of which is resiliently suspended in the opening direction without a fixed stop
- a plunger head protruding into the compression space would increase the structural size of the so-called clearance, i.e. of the compression chamber above the compressor piston in the top dead center position and thus reduce the performance of the compressor.
- valve tappet When using a fixed stop for the valve tappet, however, the problem arises that when the seat valve device is opened and closed, the valve tappet is suddenly moved by suddenly acting, high control forces and by a relentless stroke limitation is stopped suddenly. This can cause the valve lifter to break or the stop to deform due to overstressed material.
- valve tappet becomes unstable in the opening and closing phase and carries out so-called flutter movements, which are further supported by the compression work of the compressor piston. It is known that such flutter movements of valve tappets, which are comparable to hammer blows, result in destruction of the valve seat and the valve tappet head.
- the invention is therefore based on the object to improve a device of the type mentioned with simple means in comparison to the known devices so that when opening and closing the valve device despite sudden stroke movements of the valve tappet, the forces acting on the functional parts of the valve device so are small that a destruction of the functional parts or their premature wear is largely avoided even in continuous operation.
- the invention has the advantage that the operational safety of the valve device is increased and its service life is extended.
- the drawing shows a partial representation of a compressor with a seat valve device - in the embodiment according to the invention with a suction chamber 1, a pressure chamber 2 and a compression chamber 3.
- a cylinder head 5 is next to an inlet.
- valve 6 arranged in a housing part 4, a valve device 7 which, in the open position, as shown in the drawing, connects the compression chamber 3 via a valve seat 8 with the suction chamber 1 and via a suction port 9 with the atmosphere.
- the seat valve device 7 has a valve tappet 10, a stop 11 and an actuating device for the valve tappet 10, which in the present exemplary embodiment consists of a valve piston 12.
- the valve piston 12 is guided in a sliding and sealing manner in a bush 13 and is loaded by a spring 14 in the closing direction of the seat valve device 7.
- the valve piston 12 is connected to the valve tappet 10 by means of a wedge connection 15 known per se in a conical, central bore 16 of the valve piston 12.
- valve piston 12 Above the valve piston 12 is a control pressure chamber 17, which is connected via a control input 26 to a compressed air device connected to the pressure side of the compressor via a pressure connection 27 connected is.
- the valve tappet 10 has a stem 18 and a tappet head 19.
- the stem 18 is divided into three areas 20, 21 and 22 with different cross sections.
- the shaft 18 has a smaller cross section in its central region 20 than the regions 21 and 22 adjoining the central region 20 on both sides.
- the central region 20 extends approximately to 1/3 of the total length of the shaft 18.
- the transitions from the central region Area 20 of the shaft 18 to the areas 21 and 22 adjoining the middle area 20 on both sides are rounded.
- the valve piston 12 has at least one stop surface 23 which is arranged around the central axis of the valve tappet 10 and which faces a stop surface 24 of the stop 11 and which can be supported on the stop surface 24 of the stop 11.
- the stop 11 is annular and is arranged coaxially to the central axis of the valve lifter.
- the stop 11 has at least one stop surface 24 arranged around the central axis of the stop 11 on the side facing the valve piston 12 and at least one support surface 25 arranged around the central axis of the stop 11 on the side facing away from the valve piston 12.
- the stop surfaces 23 and 24 and the support surface 25 can each consist of a closed ring surface or of an annular surface formed from separate surfaces.
- the distance of the stop surface 24 from the central axis of the stop 11 is different from the distance of the support surface 25 from the central axis of the stop 11, whereby the stop 11 is elastic in the manner of a plate spring.
- the stop 11 is supported with its support surface 25 against the housing part 4 of the cylinder head 5.
- the stop surface 24 of the stop 11 serves as a stroke limiter for the valve tappet.
- a further load which corresponds to a pressure load acting on the stop 11, is introduced into the stop 11 by the stop surface 23 of the valve tappet 10 via the stop surface 24 of the stop 11.
- This pressure load is partly due to the different distances between the stop surface 24 and the support surface 25 from the central axis of the stop 11 is converted into a bending stress, which takes effect in the wall area between the stop surface 24 and the support surface 25 of the stop 11 in the manner of a plate spring.
- a remaining portion of the pressure load is supported via the support surface 25 of the stop 11 on the housing part 4 of the cylinder head 5.
- the conversion of the pressure load into a bending stress which takes place in part due to the shape of the stop 11 described, additionally has a damping effect on the tensile stress acting on the valve lifter 10.
- valve tappet 10 and the stop 11 Due to the shape of the valve tappet 10 and the stop 11 according to the invention, material stresses that suddenly occur when opening and closing the seat valve device 7 are partially compensated elastically so that a breakage of the stem 18, a Deformation of the valve piston 12 and the stop 11 in the region of the stop surfaces 23 and 24, and destruction of the sealing surface on the tappet head 19 and on the valve seat 8 is avoided.
- the seat valve device 7 shown in the exemplary embodiment is not limited to use in connection with a compressor, but can be used in other devices in which the forces acting on such a seat valve device are of the same type or similar.
- the actuation of the seat valve device 7 by compressed air selected in the exemplary embodiment can also take place hydraulically, electro-hydraulically or electropneumatically, and also by means of purely mechanical actuating means.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Sitzventileinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Eine solche Sitzventileinrichtung ist z.B. in dem "Handbuch der Kraftfahrzeugtechnik" von Buschmann/ Koessler Band 1, Seiten 199 und 200 beschrieben. Es besteht das Bedürfnis, eine solche in einem Ottomotor übliche Einrichtung auch bei einem Kompressor zu verwenden, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes in einer mit dem Kompressor verbundenen Drucklufteinrichtung von der Förderphase in die Leerlaufphase umschalten soll. Das Umschalten von der Förderphase in die Leerlaufphase geschieht derart, daß eine von dem vorgegebenen Druck in der Drucklufteinrichtung angesteuerte Betätigungseinrichtung den Ventilstößel der Sitzventileinrichtung in eine Stellung bewegt, in der der Verdichtungsraum des Kompressors mit dem Saugraum verbunden ist. In dieser Schaltstellung der Sitzventileinrichtung arbeitet der Kompressor weitgehend drucklos in der Leerlaufphase. Bei Unterschreiten des vorgegebenen Druckes in der Drucklufteinrichtung wird der Ventilstößel durch die Betätigungseinrichtung wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, in der die durch die Sitzventileinrichtung vorhandene Verbindung zwischen dem Verdichtungsraum und dem Saugraum geschlossen ist und der Kompressor in der Förderphase arbeitet.
- Im Gegensatz zu der in Ottomotoren verwendeten Sitzventileinrichtung, deren nockengesteuerter Ventilstößel ohne festen Anschlag in der Öffnungsrichtung federnd aufgehängt ist, ergibt sich bei dem beschriebenen Einsatz einer solchen Einrichtung in einem Kompressor die Notwendigkeit, für den Ventilstößel in Öffnungsrichtung des Ventilsitzes einen festen Anschlag derart vorzusehen, daß der Kopf des Ventilstößels nicht in den Verdichtungsraum hineinragen kann. Ein in den Verdichtungsraum hineinragender Stößelkopf würde eine konstruktive Vergrößerung des sogenannten Schadraumes, d.h. des Verdichtungsraumes oberhalb des Kompressorkolbens in der oberen Totpunktstellung erforderlich machen und damit die Leistung des Kompressors herabsetzen.
- Bei der Verwendung eines festen Anschlages für den Ventilstößel ergibt sich jedoch das Problem, daß beim Öffnen und Schließen der Sitzventileinrichtung der Ventilstößel durch plötzlich wirksam werdende, hohe Steuerkräfte schlagartig bewegt und durch eine unnachgiebige Hubbegrenzung ebenso schlagartig gestoppt wird. Hierbei kann es zu einem Bruch des Ventilstößels oder zu einer Verformung des Anschlages infolge überbeanspruchten Materials kommen.
- Um diesem Mangel entgegenzuwirken, wäre es naheliegend, die auf die Ventileinrichtung wirkenden Steuerkräfte zu reduzieren und/oder sie allmählich ansteigend bzw. abfallend wirken zu lassen. Hierdurch wird jedoch der Ventilstößel in der Öffnungs- und Schließphase instabil und führt sogenannte Flatterbewegungen aus, die durch die Kompressionsarbeit des Kompressorkolbens noch unterstützt werden. Es ist bekannt, daß derartige Flatterbewegungen von Ventilstößeln, die mit Hammerschlägen vergleichbar sind, eine Zerstörung des Ventilsitzes und des Ventilstößelkopfes zur Folge haben.
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art mit im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen einfachen Mitteln, so zu verbessern, daß beim Öffnen und Schließen der Ventileinrichtung trotz schlagartiger Hubbewegungen des Ventilstößels die dadurch auf die Funktionsteile der Ventileinrichtung wirkenden Kräfte so gering sind, daß eine Zerstörung der Funktionsteile oder deren vorzeitiger Verschleiß auch bei Dauerbetrieb weitgehend vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung hat den Vorteil,.daß die Betriebssicherheit der Ventileinrichtung erhöht und deren Lebensdauer verlängert wird.
- Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
- Die Zeichnung zeigt eine Teildarstellung eines Kompressors mit einer Sitzventileinrichtung-in der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem Saugraum 1, einem Druckraum 2 und einem Verdichtungsraum 3. In einem Zylinderkopf 5 ist neben einem Ein- . laßventil 6 in einem Gehäuseteil 4 eine Ventileinrichtung 7 angeordnet, die in geöffneter Stellung, wie in der Zeichnung dargestellt, den Verdichtungsraum 3 über einen Ventilsitz 8 mit dem Saugraum 1 und über einem Sauganschluß 9 mit der Atmosphäre verbindet.
- Die Sitzventileinrichtung 7 hat einen Ventilstößel 10, einen Anschlag 11 und eine Betätigungseinrichtung für den Ventilstößel 10, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Ventilkolben 12 besteht. Der Ventilkolben 12 ist gleitend und dichtend in einer Buchse 13 geführt und durch eine Feder 14 in Schließrichtung der Sitzventileinrichtung 7 belastet. Der Ventilkolben 12 ist mittels einer an sich bekannten Keilverbindung 15 in einer konischen, zentralen Bohrung 16 des Ventilkolbens 12 mit dem Ventilstößel 10 verbunden.
- Oberhalb des Ventilkolbens 12 befindet sich eine Steuerdruckkammer 17, die über einen Steuereingang 26 mit einer an der Druckseite des Kompressors über einen Druckanschluß 27 angeschlossenen Drucklufteinrichtung verbunden ist.
- Der Ventilstößel 10 hat einen Schaft 18 und einen Stößelkopf 19. Der Schaft 18 ist in drei Bereiche 20,21 und 22 mit unterschiedlichem Querschnitt aufgeteilt. Der Schaft 18 hat in seinem mittleren Bereich 20 einen geringeren Querschnitt, als die sich an den mittleren Bereich 20 beiderseits anschließenden Bereiche 21 und 22. Der mittlere Bereich 20 erstreckt sich etwa auf 1/3 der Gesamtlänge des Schaftes 18. Die Übergänge von dem mittleren Bereich 20 des Schaftes 18 zu den sich beiderseits an den mittleren Bereich 20 anschließenden Bereichen 21 und 22 sind gerundet ausgebildet. Der Ventilkolben 12 hat mindestens eine um die Mittelachse des Ventilstößels 10 herum angeordnete Anschlagfläche 23, die einer Anschlagfläche 24 des Anschlages 11 zugewandt ist und die auf der Anschlagfläche 24 des Anschlages 11 abstützbar ist.
- Der Anschlag 11 ist ringförmig ausgebildet und koaxial zur Mittelachse des Ventilstößels angeordnet.
- Der Anschlag 11 hat auf der, dem Ventilkolben 12 zugewandten Seite mindestens eine um die Mittelachse des Anschlages 11 herum angeordnete Anschlagfläche 24 und auf der dem Ventilkolben 12 abgewandten Seite mindestens eine um die Mittelachse des Anschlages 11 herum angeordnete Stützfläche 25. Die Anschlagflächen 23 und 24 sowie die Stützfläche 25 können jeweils aus einer geschlossenen Ringfläche oder aus einer aus gesonderten Flächen gebildeten Ringfläche bestehen. Der Abstand der Anschlagfläche 24 von der Mittelachse des Anschlages 11 ist unterschiedlich zu dem Abstand der Stützfläche 25 von der Mittelachse des Anschlages 11, wodurch der Anschlag 11 elastisch in der Art einer Tellerfeder ausgebildet ist. Der Anschlag 11 stützt sich mit seiner Stützfläche 25 gegen den Gehäuseteil 4 des Zylinderkopfes 5 ab. Die Anschlagfläche 24 des Anschlages 11 dient dem Ventilstößel als Hubbegrenzung.
- Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist wie folgt:
- Bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes in der mit dem Kompressor verbundenen Drucklufteinrichtung wird über den Steueranschluß 26 der Steuerdruckkammer 17 der Sitzventileinrichtung 7 ein Steuerdruck zugeführt, der den Ventilkolben 12 mit dem Ventilstößel 10 gegen die Kraft der Feder 14 in die Öffnungsstellung der Sitzventileinrichtung 7 bewegt. Diese Hubbewegung des Ventilstößels 10 wird gestoppt, wenn die Anschlagfläche 23 des Ventilkolbens 10 auf die Anschlagfläche 24 des Anschlages 11 auftrifft. Hierbei treten am Ventilstößel 10 und am Anschlag 11 schlagartige Belastungen auf. Die Belastung am Ventilstößel 10 entspricht wegen des Bewegungsimpulses des Stößelkopfes 19 einer Zugbeanspruchung, die durch den verjüngten Querschnitt im mittleren Bereich 20 des Schaftes 18 und damit durch eine erhöhte Dehnfähigkeit des Schaftes 18 teilweise kompensiert wird, so daß einem Bruch des Ventilstößels 10 entgegengewirkt wird.
- Eine weitere Belastung, die einer auf den Anschlag 11 wirkenden Druckbelastung entspricht, wird durch die Anschlagfläche 23 des Ventilstößels 10 über die Anschlagfläche 24 des Anschlages 11 in den Anschlag 11 eingeleitet. Diese Druckbelastung wird teilweise durch die unterschiedlichen Abstände der Anschlagfläche 24 und der Stützfläche 25 zur Mittelachse des Anschlages 11 in eine Biegebeanspruchung umgewandelt, die im-Wandungsbereich zwischen der Anschlagfläche 24 und der Stützfläche 25 des Anschlages 11 nach Art einer Tellerfeder wirksam wird. Ein übriger Anteil der Druckbelastung stützt sich über die Stützfläche 25 des Anschlages 11 auf den Gehäuseteil 4 des Zylinderkopfes 5 ab.
- Die durch die beschriebene Formgebung des Anschlages 11 teilweise erfolgende Umwandlung der Druckbelastung in eine Biegebeanspruchung wirkt zusätzlich dämpfend auf die am Ventilstößel 10 wirkende Zugbeanspruchung.
- Bei Absinken des Druckes in der Drucklufteinrichtung unter einen vorgegebenen Wert wird die Steuerdruckkammer 17 über den Steuereingang 26 mit der Atmosphäre verbunden. Dadurch wird der Ventilstößel 10 mit dem Ventilkolben 12 durch die Feder 14, unterstützt durch die Kompressionsarbeit des Kompressorkolbens, schlagartig in die Ausgangsposition, in der die Sitzventileinrichtung 7 geschlossen ist, bewegt. Diese Hubbewegung des Ventilstößels 10 wird gestoppt, indem der Stößelkopf 19 des Ventilstößels 10 auf den Ventilsitz 8 aufschlägt. Durch die gebremste Masse, gebildet. durch den Bereich 21 des Ventilstößels 10 und den Ventilkolben 12, tritt im mittleren Bereich 20 des Schaftes 18 eine Zugbeanspruchung auf, die durch die Form des Schaftes 18, wie bereits beschrieben, teilweise kompensiert wird.
- Durch die erfindungsgemäße Formgebung des Ventilstößels 10 und des Anschlages 11 werden beim Öffnen und Schließen der Sitzventileinrichtung 7 schlagartig auftretende Materialbeanspruchungen teilweise elastisch so kompensiert, daß ein Bruch des Schaftes 18, eine Verformung des Ventilkolbens 12 und des Anschlages 11 im Bereich der Anschlagflächen 23 und 24, sowie eine Zerstörung der Dichtfläche am Stößelkopf 19 und am Ventilsitz 8 vermieden wird.
- Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Sitzventileinrichtung 7 ist nicht auf eine Verwendung in Verbindung mit einem Kompressor beschränkt, sondern in anderen Einrichtungen verwendbar, in denen die auf eine solche Sitzventileinrichtung wirkenden Kräfte gleicher Art oder ähnlich sind.
- Die in dem Ausführungsbeispiel gewählte Ansteuerung der Sitzventileinrichtung 7 durch Druckluft kann auch hydraulisch, elektro-hydraulisch oder elektropneumatisch, sowie durch rein mechanische Betätigungsmittel erfolgen.
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