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Stand der Technik
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Bei
druckausgeglichenen Schaltventilen wird das unter Druck stehende
Medium im geschlossenen Zustand üblicherweise in einer
ringförmigen Druckkammer eingeschlossen. Diese Kammer ist
auf der einen Seite durch eine Führung und auf der anderen Seite
durch einen Dichtsitz begrenzt, wobei Führung und Dichtsitz
exakt denselben Durchmesser d aufweisen. Dadurch entsteht keine
in Öffnungs- oder in Schließrichtung wirkende
Kraft auf das Ventilelement, welches nadelförmig oder hülsenförmig
ausgebildet sein kann.
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Mit
fortschreitendem Betrieb des Schaltventiles kommt es zu einem Angleich
zwischen der Dichtfläche des Ventilstücks und
des nadelförmig oder hülsenförmig ausgebildeten
Ventilelementes. Da der Angleich, vom ursprünglichen Durchmesser
d ausgehend, nur zu einer Seite hin erfolgt, ist eine Veränderung
des wirksamen Sitzdurchmessers und damit die Erzeugung einer in Öffnungsrichtung
wirkenden Kraft auf das Ventilelement die Folge. Der Druckausgleich des
Schaltventiles ist gestört und sein dynamisches Verhalten ändert
sich bis hin zur statischen Undichtheit.
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Bei
druckausgeglichenen Schaltventilen steht üblicherweise
nur eine geringe mechanische Kraft zur Verfügung, um das
Ventil dicht zu halten. Bei fortschreitendem Verschleiß gleichen
sich die Bauteile am Ventilsitz zunehmend an, und eine Kontaktbreite
zwischen den Bauteilen nimmt zu. Solange dabei der Dichtdurchmesser
am Ventilsitz noch dem Führungsdurchmesser entspricht,
bleibt die Ventilfunktion erhalten. Entfernt sich der Dichtdurchmesser jedoch
weg vom Führungsdurchmesser, so entsteht eine zusätzliche
Druckstufe am Ventil, welche eine in Öffnungsrichtung wirkende
Kraft erzeugt. Dies kann dazu führen, dass sich bei zunehmendem
Verschleiß (Sitzangleich) das Ventil ungewollt öffnet.
Insbesondere bei Schaltventilen für Hochdruckanwendungen spielt
dabei die Verformung der Bauteile im geschlossenen Zustand durch
die Druckbelastung, d. h. den im Bauteil herrschenden Systemdruck,
eine große Rolle. Diese Verformung kann die Auswirkung
des Sitzangleiches massiv verstärken und somit zum frühzeitigen
Ausfall des Ventiles durch statische Undichtheit führen.
Aus 1 geht der Mechanismus hervor, der bei fortschreitendem
Verschleiß und Verformung aufgrund einer Druckwirkung zur
Undichtheit des Schaltventils führt.
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Aus
DE 100 08 554 A1 ist
ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt,
welches eine erhöhte Dichtigkeit aufweist. Das Kraftstoffeinspritzventil
umfasst wenigstens zwei Ventilkörperteile, die an je einer
Anlagefläche aneinander anliegen und durch eine Spannvorrichtung
gegeneinander senkrecht zur Anlagefläche verspannt sind.
In beiden Ventilkörperteilen ist ein Zulauf für
Kraftstoff ausgebildet, der durch die Anlageflächen hindurchtritt
und in dem ein hoher Kraftstoffdruck herrscht. Im Zulaufkanal ist
wenigstens eine radiale Erweiterung nahe der Anlagefläche
des betreffenden Ventilkörperteiles ausgebildet, so dass
diese radiale Erweiterung durch den Kraftstoffdruck im Zulaufkanal
eine Aufweitung in axialer Richtung des Zulaufkanals erfährt.
Dadurch wird der den Durchtritt des Zulaufkanales umgebende Bereich
der Anlagefläche an die Anlagefläche des anliegenden
Ventilkörperteils gepresst, so dass sich der Anpressdruck
der Anlageflächen erhöht. Damit ist der Durchtritt
des Zulaufkanales aufgrund der höheren Dichtwirkung besser
abgedichtet, oder es kann die Kraft der Spannvorrichtung entsprechend
reduziert werden, ohne die für die Dichtung erforderliche
Anpressung zu beeinträchtigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
ein druckausgeglichenes Schaltventil vorgeschlagen, bei welchem eine
Kompensation beziehungsweise Reduktion der aufgrund der Wirkung
des Systemdrucks herrschenden Verformung erreicht wird. Durch die
Kompensation beziehungsweise Reduktion der Verformung des Schaltventiles
durch den in diesem herrschenden Hochdruck liegt der Dichtdurchmesser
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltventiles
trotz sich einstellenden Verschleißes immer am Führungsdurchmesser.
Dadurch kann statische Undichtheit vermieden werden und eine sichere
Ventilfunktion trotz sich einstellendem mechanischen Verschleiß und
damit einhergehendem Sitzangleich gewährleistet werden.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Geometrie des Ventilelementes,
insbesondere im Bereich von dessen Ventilsitz, bezieht sich auf
eine Sitzkontur, die bei Erhöhung des Druckes, d. h. Beaufschlagung
des Ventilelementes mit dem Systemdruck, den Sitzbereich derart
verformt, dass sich die Flächenpressung im Ventilsitz auf
dessen Innenkante konzentriert. Dadurch wird das Abrollen des Sitzdurchmessers
nach außen kompensiert. Dies wiederum bewirkt, dass keine
zusätzliche Druckstufe im Bereich des Ventilsitzes, insbesondere
am Ventilelement, ausgebildet wird, an welchem sich eine in Öffnungsrichtung
des Ven tilelementes wirkende Kraft einstellen würde, so
dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltventil
dauerhaft dicht bleibt.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
des Schaltventils insbesondere im Bereich des Ventilelementes in
dessen Ventilsitz zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Hochdruckseite,
d. h. der mit Systemdruck beaufschlagten Seite des Ventilelementes,
eine radiale Erweiterung, so zum Beispiel eine Kompensationsnut,
bevorzugt in einem Radius RN im Führungsbereich
des Ventilelementes an einer Ventilführung angebracht wird.
Diese bevorzugt als Kompensationsnut in einem Radius RN gefertigte
radiale Erweiterung befindet sich in der Nähe des Ventilsitzes
in einem Abstand AN. Die radiale Erweiterung verformt
sich bei Beaufschlagung mit Systemdruck derart, dass die Ventilsitzlinie
der Führung verkippt.
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Durch
die Beaufschlagung der im Ventilelement an dessen Innenseite ausgebildeten
radialen Erweiterung bevorzugt in Form einer Kompensationsnut wird
der Sitzwinkel des Ventilelementes bei anliegendem Systemdruck psys derart verändert, dass das Ventilelement
auf die Innenkante kippt. Damit bewegt sich der Dichtdurchmesser
entlang der Innenseite des hülsenförmig ausgebildeten
Ventilelementes und dichtet auf dessen Führungsdurchmesser.
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Durch
die Formgebung der bevorzugt als Kompensationsnut gefertigten radialen
Erweiterung wird erreicht, dass das Maximum der Flächenpressung
in der radialen Erweiterung im Ventilelement gerade an der Stelle
liegt, von der in einem Abstand AN die Sitzkante
ausgebildet ist. Durch die Beaufschlagung der Sitzkante mit maximaler
Flächenpressung und das Wandern der Sitzkante entlang des
Innendurchmessers, d. h. des Führungsdurchmessers des die
Ventilführung umgebenden Ventilelementes, wird erreicht,
dass der Dichtdurchmesser mit dem Führungsdurchmesser des
hülsenförmig ausgebildeten Ventilelementes an
der Ventilführung zusammenfällt. Der aus den Lösungen
gemäß des Standes der Technik bekannte Sitzangleich
beziehungsweise das Abrollen aufgrund von Unterwanderung des Ventilsitzes mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff kann durch die ergriffenen
Maßnahmen wirksam ausgeschlossen werden. Die ergriffene
Maßnahme, d. h. das Anbringen einer radialen Erweiterung
an der Innenseite des Ventilelementes, kann, dem Gedanken der kinematischen
Umkehr folgend, auch an der Ventilführung vorgenommen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 ein
druckausgeglichen ausgebildetes Schaltventil,
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2 einen
Sitzbereich bei Beaufschlagung mit Systemdruck im Neuzustand,
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3 den
Sitzbereich gemäß 2 im verschlissenen
Zustand,
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4 ein
Ventilelement des druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles
mit radialer Erweiterung im drucklosen Zustand und
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5 das
in 4 in drucklosem Zustand dargestellte Ventilelement
im druckbeaufschlagten Zustand.
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Ausführungsformen
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1 zeigt
in schematischer Weise ein Schaltventil 10, das symmetrisch
zur Symmetrieachse 12 ausgebildet ist. Bei dem Schaltventil 10 handelt es
sich um ein nach außen öffnendes Schaltventil 10, d.
h. ein hülsenförmig ausgebildetes Ventilelement 16 ist
an einer Ventilführung 22 aufgenommen. Zwischen
der Innenseite des hülsenförmig ausgebildeten
außenliegenden Ventilelementes 16 und der Ventilführung 22 ist
ein Hochdruckraum 14 ausgebildet, der über eine
in 1 nicht dargestellte Hochdruckquelle mit unter
Systemdruck psys stehendem Kraftstoff beaufschlagt
ist. Das Ventilelement 16, welches in einer Führungslänge 20 an
der Ventilführung 22 geführt ist, verschließt
oder öffnet einen Sitz 18, der in der Darstellung
gemäß 1 untenliegend am Ventilkörper 22 angeordnet
ist. Die nachstehend erläuterten erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Maßnahmen können an jedwedem druckausgeglichenen Schaltventil 10 vorgenommen
werden, die Darstellung des nach außen öffnenden
Schaltventils 10 gemäß Anspruch 1 ist
rein beispielhaft zu verstehen. Sowohl das hülsenförmig
ausgebildete Ventilelement 16 als auch die Ventilführung 22 sind
symmetrisch zur Symmetrieachse 12 ausgebildet. Bei dem
in 1 dargestellten Schaltventil 10 handelt
es sich um ein solches, bei dem sich der Ventilsitz 18 unterhalb
des außenliegend angeordneten Ventilelementes 16 befindet.
Das Ventilelement 16 ist in der Führungslänge 20 verschiebbar
an der Ventilführung 22 geführt. Der
Führungsdurchmesser, d. h. der Innendurchmesser des Ventilelementes 16 sowie
der Außendurchmesser der Ventilführung 20 ist
durch Bezugszeichen 64 bezeichnet.
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2 zeigt
die Darstellung des Sitzbereiches bei einem Schaltventil im Neuzustand.
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Aus
der mit stark überzeichneten Verformungen wiedergegebenen 2 geht
hervor, dass der Hochdruckraum 14 bei Druckbeaufschlagung
mit dem Systemdruck psys einerseits durch
eine Bodenfläche 42 des Hochdruckraums 14 und
andererseits durch eine Innenseite 40 des Ventilelementes 16 begrenzt
wird. Die Innenseite 40 des außenliegend angeordneten
Ventilelementes 16 weist eine Sitzkante 24 auf,
welche mit einer komplementär ausgebildeten Kante, die
an der Ventilführung 22 ausgebildet ist, den Sitz 18 bildet.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass sich beginnend mit der Sitzkante 24 dem Sitzwinkel
folgend ein Sitzangleich 26 eingestellt hat. Innerhalb
dieses durch Bezugszeichen 26 identifizierten Bereiches,
d. h. des Sitzangleiches, liegen die einander kontaktierenden Flächen
von Ventilelement 16 und Ventilführung 22 beziehungsweise dessen
Boden 42 aneinander an. Durch die Pfeile ist der auf die
Innenseite 40 beziehungsweise den Boden 42 der
Ventilführung 22 wirkende Systemdruck psys bezeichnet.
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3 zeigt
den Sitzbereich des Schaltventiles gemäß der Darstellung
in 2 in verschlissenem Zustand nach längerer
Betriebszeit.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass ausgehend von dem in 2 dargestellten Sitzangleich 26,
d. h. den einander kontaktierenden Seiten des Ventilelementes 16 und
der Ventilführung 22 im Bereich des Sitzes 18,
die Sitzkante 24 einer Druckunterwanderung 30 ausgesetzt
ist. Damit wandert der Sitzdurchmesser in radiale Richtung nach außen,
eine Rollfläche 32 bildend. In radiale Richtung außenliegend
gesehen befindet sich hinter der Rollfläche 32 die
Stelle, an der eine maximale Pressung 34 vorliegt. Diese
Sitzlinie hat sich im Vergleich zur ursprünglichen Sitzkante 24 weiter
in radiale Richtung nach außen geschoben. Aufgrund der
Druckunterwanderung 30 der Sitzkante 24 an der
Unterseite des hülsenförmig ausgebildeten außenliegenden Ventilelementes 16 wird
eine zusätzliche Druckstufe gebildet, welche eine in Öffnungsrichtung
auf das hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 16 wirkende
Kraft liefert, welche ein ungewolltes Öffnen des Ventilelementes 16 begünstigt,
wodurch dieses Schaltventil nach längerer Betriebszeit
aufgrund der geschilderten Effekte und des aufgetretenen mechanischen
Verschleißes nicht mehr zuverlässig dichtet.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist eine
Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen,
druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles zu entnehmen, wobei
insbesondere das außenliegend angeordnete Ventilelement
im drucklosen Zustand dargestellt ist.
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Wie
aus 4 hervorgeht, weist das hülsenförmig
ausgebildete, außenliegende Ventilelement 16,
welches – wie in 1 dargestellt – an
der Mantelfläche der innenliegenden Ventilführung 22 entlang der
Führungslänge 20 geführt ist,
eine Innenseite 40 auf. Im hül senförmigen
Ventilelement 16 ist die Innenseite 40 in einem
Führungsdurchmesser 64 ausgebildet, welcher dem
Außendurchmesser der Mantelfläche der Ventilführung 22 im
Wesentlichen entspricht. An der Innenseite 40 des Ventilelementes 16 befindet
sich eine radiale Erweiterung 48. Die radiale Erweiterung 48 ist
in der Darstellung gemäß 4 als Kompensationsnut
beschaffen und im Radius RN, vergleiche
Bezugszeichen 50, ausgebildet. Unter Berücksichtigung
der Festigkeitseigenschaften und unter Berücksichtigung
des in der radialen Erweiterung 48 anliegenden Systemdruckes
psys kann die Nut auch abweichend von der
Idealform als Ringnut in eckigem Durchmesser, so zum Beispiel als
Rechtecknut, unter Berücksichtigung der entstehenden Kerbwirkung
gefertigt werden. Entscheidend ist, dass durch die Geometrie der
radialen Erweiterung 48, die insbesondere als Kompensationsnut
mit gerundetem Nutgrund ausgebildet wird, eine Konzentration der sich
einstellenden Flächenpressung an der Innenseite 40 des
Ventilelementes 16 erzielt wird. Wie in der Darstellung
gemäß 4 gezeigt, befindet sich unterhalb
der unteren Kante der radialen Erweiterung 48 in einem
Abstand AN, vergleiche Bezugszeichen 46,
die Sitzkante 24. Von der Sitzkante 24 verläuft
der in 2 mit Bezugszeichen 26 bezeichnete Sitzangleichsbereich 26,
innerhalb dessen es zu einem Kontakt zwischen der Unterseite des
Ventilelementes 16, ausgebildet im Sitzwinkel, und der
entsprechenden Seite der Ventilführung 22 unter
Ausbildung des Sitzes 18 kommt.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 4 weiter hervorgeht,
ist das hülsenförmig ausgebildete, außenliegende
Ventilelement in Richtung des Doppelpfeiles 44 verfahrbar.
Bei vertikaler Bewegung nach oben öffnet das hülsenförmig
ausgebildete, außenliegende Ventilelement 16 den
Sitz 18; bei einem Verfahren nach unten verschließt
das außenliegende Ventilelement 16 mit seiner
Sitzkante 24 den Sitz 18 zwischen der Ventilführung 22 und
dem hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden
Ventilelement 16.
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Während
in der Darstellung gemäß 4 das hülsenförmig
ausgebildete, außenliegende Ventilelement 16 im
drucklosen Zustand dargestellt ist, verformt sich dieses bei Beaufschlagung
mit dem Systemdruck psys ausgehend vom Hochdruckraum 14 zwischen
Ventilelement 16 und Ventilführung 22 bei
geschlossenem Sitz 18, wie in der Darstellung gemäß 5 genauer
gezeigt.
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Aus
der Darstellung gemäß 5 geht hervor,
dass im drucklosen Zustand – angedeutet durch die gestrichelten
Linien, vergleiche Bezugszeichen 52 – die radiale
Erweiterung 48 ihr ursprüngliches unverformtes
Aussehen – wie in 4 dargestellt – aufweist.
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Da
die radiale Erweiterung 48 innerhalb des Hochdruckraumes 14 zwischen
der Ventilführung 22 und der Innenseite 40 des
hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden
Ventilele mentes 16 Systemdruck psys beaufschlagt
wird, verformt sich die radiale Erweiterung 48, bevorzugt
als ringförmige Kompensationsnut ausgebildet, wie in 5 dargestellt.
Im in durchgezogenen Linien dargestellten druckbeaufschlagten Zustand 54 erfährt
die radiale Erweiterung 48 eine Aufweitung 60,
d. h. aufgrund des an der Begrenzungsfläche der radialen
Erweiterung 48 anstehenden Systemdruckes wandern die Begrenzungskanten
der radialen Erweiterung 48 an der Innenseite 40 des
hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 voneinander
weg, die radiale Erweiterung 48 weitet sich auf. Aufgrund
dieses Umstandes bewegt sich die untere Begrenzungskante der radialen
Erweiterung 48 in vertikale Richtung nach unten. Infolgedessen
wandert die im Abstand 46 AN von
dieser entfernt liegende Sitzkante 24 an der Innenseite 40 weiter
nach unten, d. h. die Sitzkante 24 verkippt um einen in 5 angedeuteten Verkippungswinkel α.
Die Verkippung des Ventilelementes 16 selbst ist durch
Bezugszeichen 56 angedeutet. Mit der Verkippung der Sitzkante 54 zur
Innenseite 40 des hülsenförmig ausgebildeten,
außenliegenden Ventilelementes 16 hin erfährt
auch der Sitzwinkel eine Änderung. Durch die Aufweitung 60 der
radialen Erweiterung 48 wird der Sitzwinkel bei anliegendem
Systemdruck psys, wie in 5 dargestellt,
so verändert, dass das hülsenförmig ausgebildete,
außenliegende Ventilelement 16 auf die Innenseite
kippt und damit auf dem Führungsdurchmesser 64,
d. h. dem Innendurchmesser des hülsenförmig ausgebildeten,
außenliegenden Ventilelementes 16 dichtet.
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Durch
die in 4 und 5 dargestellte Geometrie des
Ventilsitzbereiches des hülsenförmig ausgebildeten,
außenliegenden Ventilelementes 16 wird eine derartige
Verformung erreicht, dass sich die Flächenpressung an der
Innenseite 40 des Ventilelementes 16 auf die Innenkante
des Sitzes 18 konzentriert. Dadurch wird ein in 3 dargestelltes
Abrollen des Sitzdurchmessers in radiale Richtung nach außen
kompensiert, d. h. die Ausbildung der in 3 dargestellten
Rollfläche 32 unterbleibt ebenso wie eine Druckunterwanderung 30 des
Sitzes von dessen Innenseite, d. h. von dem mit Systemdruck psys beaufschlagten Bereich.
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Aufgrund
des Umstandes, dass bei einer Aufweitung 60 der radialen
Erweiterung 48, die bevorzugt als Kompensationsnut gefertigt
wird, eine Konzentration der Flächenpressung an der Innenseite 40 des
Ventilelementes 16 erfolgt, wird an der Innenseite des
Ventilelementes 16 maximale Axialkraft erzeugt.
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Wie
in 5 dargestellt, verkippt eine Ventilsitzlinie 62 der
Führung.
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Wie
aus 5 hervorgeht, verkippt die innenliegende Kegelfläche
an der unteren Stirnseite des hülsenförmig ausgebildeten
Ventilelementes 16 gegenüber dem drucklosen Zu stand 52 im
druckbeaufschlagten Zustand 54 um den Verkippungswinkel α.
Im druckbeaufschlagten Zustand 54 erhöht sich der
Verkippungswinkel α, den die Ventilsitzlinie 62 mit der
Symmetrieachse 12 bildet. Aufgrund dessen berührt
im verschlissenen Zustand das Ventilelement 16 den Sitz 18 an
der Ventilführung 22 an der Sitzkante 24;
d. h. an der Innenkante. Aufgrund der Verkippung ändert
sich auch der Sitzwinkel bei anliegendem Systemdruck psys,
so dass die maximale Dichtkraft an der Innenseite 40 des
hülsenförmig ausgebildeten, an der Außenseite
der Ventilführung 22 aufgenommenen Ventilelementes 16 erzeugt
wird. In bevorzugter Ausgestaltung der in den 4 und 5 dargestellten,
durch den Systemdruck beaufschlagbaren radialen Erweiterung 48 oberhalb
des Sitzes 18 wird eine gezielte Verformung in das Ventilelement 16 eingebracht.
Das Ventilelement 16 ist in der Darstellung gemäß der 4 und 5 als
außenliegendes, hülsenförmig ausgebildetes
Ventilelement 16 beschaffen. Es sind jedoch auch andere
Geometrien des druckausgeglichenen Schaltventiles denkbar, bei welchen
der Sitz 18 an der Oberseite liegt oder es sich um ein
nach innen öffnendes Ventil oder dergleichen handelt. Die
radiale Erweiterung 48 hat einen Abstand 46 von
der Sitzkante 24 der zum Beispiel dem Radius RN,
vergleiche Bezugszeichen 50 in den 4 und 5,
entspricht. Typische Werte für den Abstand AN 46 liegen
zwischen 0,2 bis 2 × RN. Während
in den Darstellungen gemäß 4 und 5 die
radiale Erweiterung 48 an der Innenseite 40 des
hülsenförmig ausgebildeten, außenliegenden Ventilelementes 16 angebracht
ist, kann diese anstelle am Ventilelement 16 auch an der
Ventilführung 22 beziehungsweise am Ventilstück
ausgebildet sein. Während die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen
im Bereich des Sitzes 18 vorstehend in Bezug auf die 1 bis 5 in
der Beschreibung beispielhaft anhand eines Schaltventiles 10 mit
einer Abströmung nach außen, und außen
liegendem Ventilelement 16 dargestellt sind, können
die ergriffenen Maßnahmen auch auf jedes andere druckausgeglichene
Schaltventil in anderer Geometrie übertragen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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