Diese Erfindung betrifft ein Ventil, genauer gesagt ein Fluiddruckregelventil.

Hydraulikkreise weisen aus verschiedenen Gründen Ventile, wie Druckentlastungsventile, auf, wobei diese Gründe das Schützen von Komponenten und das Sicherstellen der Betriebssicherheit des Systems umfassen. Es gibt verschiedene Ventile im Stand der Technik, die dazu verwendet werden, den Druck von Fluiden, die Flüssigkeiten und Gase umfassen, zu regeln. Bei einem Ventil findet eine Kugel oder eine Ventilkugel Verwendung, die von einer Feder oder einem anderen Mechanismus nachgiebig gegen einen Ventilsitz vorgespannt wird, um das Ventil abzudichten und den „Sprengdruck" oder anfänglichen Öffnungsdruck und den Entlastungsdruck zu regeln. Wenn einmal der „Sprengdruck" erreicht ist, wird die Ventilkugel vom Ventilsitz weggedrückt, und Strömungsmittel fließt durch den Ventilsitz. Durch den Vorspannmechanismus bewegt sich die Ventilkugel zurück auf den Ventilsitz, wenn der Druck reduziert und der Entlastungsdruck erreicht wird.

Ventile mit einer Ventilbohrung einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Gestalt können unerwünschte Änderungen des Betriebsdrucks bei verschiedenen Durchsätzen, insbesondere hohen Durchsätzen, aufweisen. Diese Ventile erfordern in typischer Weise einen übermäßig erhöhten Fluiddruck, um eine erhöhte Ventilöffnung zu bewirken, was beispielsweise zu einer Veränderung der Betriebseigenschaften in Bezug auf den Fluiddurchsatz führen kann.

Ein Druckregelventil besitzt eine sich ungleichmäßig verjüngende Ventilbohrung, die nach unten einen zunehmenden Durchmesser aufweist. Ein von einer Ventilkugel und der Ventilbohrung im Bereich des kleinsten Spaltes hierzwischen gebildeter Grenzflächenwinkel steigt an, wenn die Ventilkugel in zunehmender Weise von einem Ventilsitz der Ventilbohrung weg verschoben wird.

Wenn der Grenzflächenwinkel ansteigt, nimmt der wirksame Flächenbereich der Ventilkugel, auf die der aufstromseitige Strömungsmitteldruck einwirkt, zu, so dass vom aufstromseitigen Strömungsmittel eine erhöhte Kraft auf die Kugel einwirkt. Diesbezüglich kann die Änderung des Grenzflächenwinkels und somit die Änderung des wirksamen Flächenbereiches der Ventilkugel in Bezug auf beispielsweise die Federkonstante einer Feder, die in nachgiebiger Weise die Kugel gegen den Ventilsitz vorspannt, gesteuert werden. Bei einer Ausführungsform kann das Ventil als Druckentlastungsventil verwendet werden, und der Grenzflächenwinkel und somit der wirksame Flächenbereich der Ventilkugel kann so ausgebildet sein, dass die erhöhte Federkraft, die auf die Ventilkugel einwirkt, wenn diese zunehmend vom Ventilsitz weg verschoben wird, ausgeglichen wird. Somit kann eine relativ flache oder konstante Druckkurve für das Entlastungsventil über einen weiten Bereich von Fluiddurchsätzen erhalten werden. Natürlich kann das Ventil auch bei anderen Anwendungsfällen als einem Druckentlastungsventil eingesetzt werden.

Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform hat die Ventilbohrung einen kegelstumpfförmigen Abschnitt, der den Ventilsitz bildet, und einen konkaven Abschnitt abstromseitig des kegelstumpfförmigen Abschnittes, der auf nicht lineare oder nicht gleichmäßige und vorzugsweise sich bogenförmig verjüngende Weise ausgebildet ist. Bei einer anderen gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform besitzt die Ventilbohrung eine Vielzahl von geradlinigen, sich linear verjüngenden Segmenten, die unter verschiedenen Winkeln angeordnet sind, so dass die Ventilbohrung über ihre gesamte Axiallänge keine geradlinige oder konstante lineare Verjüngung aufweist.

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Hiervon zeigen:

1 eine Endansicht eines Druckregelventils gemäß einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

2 eine Schnittansicht generell entlang Linie 2-2 in 1;

3 eine Schnittansicht generell entlang Linie 3-3 in 1;

4 eine Teilschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Druckregelventils, wobei eine Ventilkugel in ihrer geschlossenen Position auf einem Ventilsitz dargestellt ist;

5 eine Teilschnittansicht wie 4, die die Ventilkugel zeigt, die um eine erste Strecke vom Ventilsitz verschoben ist;

6 eine Teilschnittansicht wie 4, die die Ventilkugel zeigt, die um eine zweite Strecke vom Ventilsitz verschoben ist;

7 eine Teilschnittansicht wie 4, die die Ventilkugel zeigt, die um eine dritte Strecke vom Ventilsitz verschoben ist;

8 eine Teilschnittansicht eines Druckregelventils, das gemäß einer anderen gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;

9 eine Darstellung einer Druckkurve für ein beispielhaftes Druckregelventil;

10 eine Schnittansicht des Ventilgehäuses einer anderen Ausführungsform;

11 eine schematische Teilschnittansicht eines Abschnittes eines Ventils;

12 eine schematische Endansicht einer Austrittsbahn und von Öffnungen eines Ventilgehäuses;

13 ein Durchsatz-Druck-Diagramm, das u. a. die Korrelation der Kraftstoffpumpe und des Ventil-Verhaltens zeigt;

14 ein Durchsatz-Druck-Diagramm eines beispielhaften Ventils mit einem Ventilhalter in einer ersten Position, der eine erste Federkraft auf den Ventilkopf erzeugt;

15 ein Durchsatz-Druck-Diagramm eines beispielhaften Ventils mit einem Ventilhalter in einer zweiten Position, der eine erste Federkraft auf den Ventilkopf erzeugt; und

16 ein Durchsatz-Druck-Diagramm eines beispielhaften Ventils mit einem Ventilhalter in einer ersten Position, der eine erste Federkraft auf den Ventilkopf erzeugt.

Es wird nunmehr in größeren Einzelheiten auf die Zeichnungen Bezug genommen. Die 1-3 zeigen ein Druckregelventil 10 mit einem Ventilkörper 12 mit einer darin ausgebildeten Ventilbohrung 14 und einem Ventilkopf 16, der bei dieser Ausführungsform als Kugel dargestellt ist, die in der Ventilbohrung 1 angeordnet ist, um den Strömungsmitteldurchfluss durch die Bohrung zu regeln. Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform funktioniert das Druckregelventil 10 als Druckentlastungsventil. Die Ventilkugel 16 wird, beispielsweise durch eine Feder 18, auf elastische weise gegen einen Ventilsitz 20 vorgespannt, bei dem es sich um einen Abschnitt der Ventilbohrung 14 handelt, der einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der Durchmesser der Ventilkugel. Wenn die Ventilkugel 16 am Ventilsitz 20 sitzt, strömt kein Fluid durch die Ventilbohrung 14. Wenn der Druck des aufstromseitig des Ventilsitzes 20 angeordneten Fluides einen vorgegebenen maximalen Fluiddruck übersteigt, wird die Ventilkugel 16 durch die Kraft des Fluides gegen die Kraft der Feder 18 verschoben, so dass ein Durchflussbereich oder ein Spalt 22 (wie in den 5-7 gezeigt) zwischen der Ventilkugel 16 und der Ventilbohrung 14 gebildet wird, durch den Fluid strömen kann. Wenn der Druck des Fluides unter den vorgegebenen maximalen Fluiddruck fällt, nimmt die Ventilkugel 16 wieder ihren Sitz auf dem Ventilsitz 20 ein.

Der Betriebsdruck des Ventils 10 kann durch die anfängliche Federkraft und die Federkonstante der Feder 18, die auf nachgiebige Weise die Ventilkugel 16 gegen den Ventilsitz 20 vorspannt, gesteuert werden. Die anfängliche Federkraft kann verändert werden, indem die anfängliche Kompression der Feder 18 variiert wird, wie beispielsweise durch Einstellen der Position eines Federsitzes 24, der vorzugsweise in die Ventilbohrung 14 hinter der Feder 18 gepresst wird. Der Federsitz 24 befindet sich vorzugsweise im Festsitz mit der Ventilbohrung 14 und besitzt eine Öffnung 26, durch die Fluid strömen kann.

Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitz 20 in einem sich generell linear verjüngenden oder kegelstumpfförmigen Abschnitt 28 der Ventilbohrung 14 ausgebildet. Dieser kegelstumpfförmige Abschnitt 28 erstreckt sich axial und radial nach außen, wenn er nach unten bis zu einem Übergangspunkt 30 am abstromseitigen Ende des kegelstumpfförmigen Abschnittes verläuft. Abstromseitig des Übergangspunktes 30 ist ein konkaver Abschnitt 32 in der Ventilbohrung 14 ausgebildet.

Der konkave Abschnitt 32 hat einen Durchmesser, der von seinem auf stromseitigen Ende bis zu seinem abstromseitigen Ende ansteigt. Der Durchmesser des konkaven Abschnittes 32 steigt nicht linear an wie im kegelstumpfförmigen Abschnitt 28. Vielmehr ist die Ventilbohrung 14 im Bereich des konkaven Abschnittes 32 etwas gekrümmt oder bogenförmig ausgebildet. Wenn sich daher der konkave Abschnitt 32 nach unten erstreckt, nimmt sein Durchmesser in Abhängigkeit von der Krümmung der Ventilbohrung 14 in diesem Bereich zu. Der minimale Spalt oder Durchflussbereich 22 zwischen dem Ventilkörper 12 und der Ventilkugel 16 variiert in Abhängigkeit von der axialen Verschiebung der Ventilkugel 16 vom Ventilsitz 20 weg. Dieser minimale Spalt oder Durchflussbereich 22 wird von dem Abschnitt der Ventilbohrung 14 gebildet, der am benachbartesten zur Ventilkugel 16 angeordnet ist, wobei sich der minimale Spalt verändert, wenn die Ventilkugel relativ zum Ventilsitz verschoben wird.

Wie in den 4-7 gezeigt, die eine andere Ventilausführungsform zeigen, die eine Ventilbohrung einer geringfügig anderen Form als in den 1-3 besitzt, ist ein Grenzflächenwinkel &agr; zwischen einer Achse 34 der Ventilbohrung 14 und einer Grenzflächenlinie 36 ausgebildet, die die kürzeste Distanz zwischen dem Ventilkopf und der Ventilbohrung 14 darstellt. Mit anderen Worten, die Grenzflächenlinie 36 verbindet den Punkt auf dem Ventilkopf und den Punkt auf der Ventilbohrung 14, die den minimalen Spalt zwischen dem Ventilkopf und der Ventilbohrung bilden. Mit einer Ventilkugel 16 als Ventilkopf verbindet die Grenzflächenlinie 36 die Mitte der Ventilkugel 16 und die Fläche der Ventilbohrung 14, die der Ventilkugel 16 am nächsten ist. Wie in 5 gezeigt, verläuft bei mindestens einem gekrümmten oder bogenförmigen konkaven Abschnitt 32 und einer Ventilkugel 16 die Grenzflächenlinie 36 senkrecht zu einer Linie 38 als Tangente an die Ventilbohrung an der Stelle der Ventilbohrung, die für eine spezielle axiale Position der Ventilkugel zu dieser am nächsten ist. Wie in den 4-7 gezeigt, nimmt der Grenzflächenwinkel &agr; zu, wenn die Ventilkugel 16 vom Ventilsitz 20 weiter weg verschoben wird. Dies ist auf den ungleichmäßigen Anstieg des Durchmessers des konkaven Abschnittes 32 der Ventilbohrung 14 bei deren Abwärtserstreckung zurückzuführen.

Während des Betriebes ist der wirksame Flächenbereich der Ventilkugel 16, auf den das Fluid aufstromseitig des Ventilsitzes 20 einwirkt, proportional zum Grenzflächenwinkel &agr;. Wenn der Grenzflächenwinkel &agr; zunimmt, nimmt auch der wirksame Flächenbereich der Kugel 16, der dem aufstromseitigen Strömungsmitteldruck ausgesetzt ist, zu. Bei einem vorgegebenen Fluiddruck neigt die erhöhte wirksame Fläche der Ventilkugel 16 dazu, die durch den aufstromseitigen Fluiddruck auf die Ventilkugel einwirkende Kraft zu erhöhen. Ferner existiert der als „Bernoulli-Effekt" bezeichnete Faktor, der dazu neigt, die Druckkraft auf die Ventilkugel 16 aufgrund der Geschwindigkeit des Fluides im Durchflussspalt 22 zu erniedrigen. Der „Bernoulli-Effekt" kann reduziert werden, indem der minimale Durchflussspalt 22 in einer festen Axialposition der Kugel 16 verringert wird. Diese vom aufstromseitigen Fluiddruck erzeugte Kraft wird durch die Kraft der Feder 18 ausgeglichen, die in entsprechender Weise ansteigt, wenn die Ventilkugel 16 weiter vom Ventilsitz 20 weg verschoben wird, so dass eine erhöhte, Kompression der Feder 18 bewirkt wird. Daher kann das Druckregelventil 10 so ausgebildet sein, dass es die erhöhte Federkraft ausgleicht, wenn die Feder 18 zuenehmend komprimiert wird, indem der wirksame Flächenbereich der Kugel 16 erhöht oder der minimale Durchflussspalt 22 verringert wird, wenn die Kugel 16 weiter weg vom Ventilsitz 20 verschoben wird. Auf diese Weise kann das Ventil 10 so konstruiert sein, dass es eine gewünschte Druckkurve oder ein gewünschtes Ansprechverhalten über einen breiten Bereich von Fluiddurchsätzen liefert. Beispielsweise kann das Ventil 10 so ausgebildet sein, dass es eine relativ flache Druckkurve über einen breiten Bereich von Durchsätzen besitzt, wie in 9 gezeigt, wobei der Durchsatz von etwa 10 oder 20 l pro h bis auf etwa 200 l pro h variiert. Die Fluiddurchsätze können sogar noch höher sein und in einem Bereich von 250 l pro h oder darüber liegen, falls erforderlich. Natürlich kann das Druckansprechverhalten oder die Druckkurve in der für einen speziellen Anwendungsfall oder Gebrauch eines Druckregelventils gewünschten Weise gesteuert werden.

Ein Weg zur Konstruktion eines Ventils 10 besteht darin, den gewünschten Minimalspalt zwischen der Ventilkugel 16 und der Ventilbohrung 14 in verschiedenen axialen Verschiebungsstellungen der Ventilkugel 16 zu bestimmen und in gewünschter Weise die auf die Kugel einwirkende Federkraft entgegenwirken zu lassen, bei der es sich um eine bekannte Funktion der Federkonstanten der Feder 18 handelt. Mit anderen Worten, für eine vorgegebene Verschiebung der Ventilkugel 16 kann die auf die Kugel einwirkende Federkraft sofort berechnet werden, und diese Kraft kann in der gewünschten Weise durch eine gewünschte Nettokraft in der entgegengesetzten Richtung ausgeglichen werden, bei der es sich um eine Funktion der auf die Ventilkugel 16 einwirkenden Fuidkraft handelt. Da die Kraft des auf die Ventilkugel 16 einwirkenden Fluides vom aufstromseitigen Druck, der Axialposition, dem Grenzflächenwinkel und dem minimalen Durchflussspalt 22 abhängig ist, kann die Berechnung unter Einsatz einer fluiddynamischen Rechenanalyse (CFD) oder einer anderen numerischen Analyse durchgeführt werden. Die Analyse zeigt, dass die Kraft ansteigt, wenn der minimale Durchflussspalt 22 abnimmt, und dass die Kraft abnimmt, wenn der minimale Durchflussspalt 22 ansteigt. Auf diese Weise kann die Form oder Kontur des konkaven Abschnittes 32 iterativ mit relativer Genauigkeit für eine gewünschte Druckcharakteristik oder ein Druckansprechverhalten des Druckregelventils 10 ermittelt werden.

Wenn das Ventil geschlossen ist, mit anderen Worten, die Ventilkugel 16 auf dem Ventilsitz 20 angeordnet ist, beträgt der Grenzflächenwinkel &agr; vorzugsweise zwischen etwa 5° und etwa 85°, bevorzugter zwischen 35° und 45°. Bei sehr niedrigen Grenzflächenwinkeln ist ein relativ kleiner Flächenbereich der Ventilkugel 16 vorhanden, der dem aufstromseitigen Fluiddruck ausgesetzt ist, was das Ansprechverhalten der Ventilkugel nachteilig beeinflussen kann. Andererseits können bei einem sehr großen Startgrenzflächenwinkel Ereignisse auftreten, wie ein Verkorken oder die Neigung der Ventilkugel 16 zum Festsetzen auf dem Ventilsitz 20. Ferner wird durch das Starten mit einem sehr großen Grenzflächenwinkel &agr; der Anstieg des Grenzflächenwinkels &agr; reduziert, der möglich ist, wenn die Ventilkugel 16 verschoben wird, da der maximale Grenzflächenwinkel mit einer Ventilkugel 90° beträgt, was mit dem Durchmesser der Kugel senkrecht zur Richtung des Fluidstromes übereinstimmt. Mit anderen Worten, der 90°-Grenzflächenwinkel &agr; definiert den maximal wirksamen Flächenbereich der Ventilkugel 16.

Bei der in den 4-7 gezeigten Ausführungsformen steigt der Grenzflächenwinkel &agr; von einem Nennwinkel von etwa 65°, wenn die Ventilkugel 16 auf dem Ventilsitz 20 geschlossen ist, bis zu etwa 68° in 5 an, wenn die Ventilkugel 16 aus ihrer geschlossenen Position und vom Ventilsitz 20 weg verschoben ist. Gemäß 6 ist die Ventilkugel 16 weiter weg vom Ventilsitz 20 verschoben als in 5 und beträgt der Grenzflächenwinkel &agr; nominell etwa 74°. Schließlich ist in 7 die Ventilkugel 16 noch weiter weg verschoben vom Ventilsitz 20, und entspricht der Grenzflächenwinkel &agr; einem Nennwinkel von etwa 85°. Diese repräsentativen Winkel zeigen nur eine einzige gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform und sollen in keiner Weise die Erfindung beschränken.

Der kegelstumpfförmige Abschnitt 28 kann für einen konsistenteren Grenzflächenwinkel &agr; sorgen, wenn die Ventilkugel 16 am Ventilsitz 20 sitzt, und kann den Effekt von Änderungen im Ventilkörper 12 minimieren, die auftreten können, wenn ein Ventilkörper aus Kunststoff verwendet wird, der in flüssigen Kraftstoff eingetaucht ist, welcher ein Anschwellen des Kunststoffs bewirkt. Da der Grenzflächenwinkel &agr; im kegelstumpfförmigen Abschnitt 28 mit einer sich linear verjüngenden Oberfläche konstant bleibt, bewirkt eine Änderung im Ventilbohrungsdurchmesser in diesem Bereich, dass die Ventilkugel 16 mit dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 28 an einer anderen axialen Stelle in Eingriff tritt, ändert jedoch nicht den Grenzflächenwinkel &agr;. Eine solche Änderung ändert daher nicht den wirksamen Flächenbereich der Ventilkugel 16, auf den der aufstromseitige Fluiddruck einwirkt. Auf diese Weise wird durch solche Veränderungen im Gehäuse das „Absprengen" oder der anfängliche Öffnungsdruck des Ventils 10 nicht beeinflusst.

Fall gewünscht, kann die Ventilkugel 14 auch ohne einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 28 ausgebildet sein. Die gesamte Ventilbohrung 14 kann dabei eine nichtlineare oder nicht gleichmäßige Verjüngung aufweisen, wie in Verbindung mit dem konkaven Abschnitt 32 der gerade erläuterten Ausführungsform beschrieben. Die ungleichmäßige Verjüngung sorgt für einen variierenden Änderungswert des Durchmessers der Ventilbohrung 14 für vorgegebene Schritte der axialen Distanz. Wie in 8 gezeigt, kann alternativ dazu ein Ventilkörper 12' eine Ventilbohrung 14' mit einer Vielzahl von sich linear verjüngenden Segmenten 40 aufweisen, die unter unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet sind. Obwohl jedes einzelne Segment 40 eine geradlinige Verjüngung besitzt, hat die Ventilbohrung 14 als ganzes keine geradlinige Verjüngung über ihre gesamte Axiallänge. Wie in 8 gezeigt, kann die Grenzflächenlinie 36 generell senkrecht zu dem linearen Segment verlaufen, das der Ventilkugel 16 am nächsten ist, und wird der Grenzflächenwinkel &agr; zwischen der Achse 34 der Ventilbohrung 14' und der Grenzflächenlinie 36 gebildet.

Es wird nunmehr ein repräsentatives Verfahren zur Ausbildung eines Ventils 100 zur Verwendung mit Strömungsmitteln mit niedriger Viskosität beschrieben, wobei ein geeigneter Durchflussspalt 102 und eine geeignete Größe eines Ventilkopfes oder einer Ventilkugel 104 ermittelt werden können. Aus der Differenz des statischen Drucks aufstromseitig und abstromseitig des Ventils (Delta P) kann die Geschwindigkeit des Fluides im Durchflussspalt unter Verwendung der Bernoulli'schen Gleichung wie folgt ermittelt werden: Delta P = 0,5·Dichte·Geschwindigkeit².

In einem Beispiel, bei dem das Fluid eine Viskosität von 0,75 kg/l und ein Delta P von 650 kPa besitzt, beträgt die Geschwindigkeit etwa 41,7 m/sec.

Die Fluidgeschwindigkeit, der Durchflussbereich und der Durchsatz können über die Kontinuitätsgleichung wie folgt miteinander in Beziehung gesetzt werden: Volumetrischer Durchsatz = Durchflussbereich·Geschwindigkeit

In einem Ventil, in dem der maximale Durchsatz 180 l/h beträgt, beträgt der maximale Durchflussbereich etwa 1,2 mm². Mit diesem Durchflussbereich kann die optimale Größe der Kugel 104 wie folgt ermittelt werden: Kugeldurchmesser = (Durchflussbereich^0,5)·3.

In diesem Beispiel beträgt der Kugeldurchmesser etwa 3,28 mm. Natürlich ist dies ein angenäherter Kugeldurchmesser und kann die tatsächliche Kugel 104 kleiner oder größer sein, wie gewünscht oder erforderlich.

Wie am besten in 10 gezeigt, kann die Geometrie des Ventilgehäuses 106 relativ zur Größe der Kugel 104 ermittelt werden. Das Ventilgehäuse besitzt einen Ventilsitzbereich 108 und einen variierenden Durchflussspalt 102. Die Größe des aufstromseitigen Eintrittslochs 110 kann so ausgewählt sein, dass sie zwischen etwa 70% und 90% des Kugeldurchmessers liegt und bei einer Ausführungsform etwa 80% des Kugeldurchmessers beträgt. Der Ventilsitzbereich 108 kann einen Sitzwinkel von etwa 25°-30° besitzen, wie schematisch in 11 gezeigt. Ein konsistenteres Verhalten des Ventils kann mit einem größeren Eintrittsloch 110 und einem größeren Radius 112, der zum Eintrittsloch 110 führt, realisiert werden. Ein größeres Eintrittsloch 110 kann zu einer Reduzierung des Druckabfalls führen, der mit dem Fluid einhergeht, das sich in das Eintrittsloch 110 bewegt. Des Weiteren beeinflussen Grate oder andere Unregelmäßigkeiten (wie ein weniger rundes Eintrittsloch) den Druckabfall am Eintrittsloch 110 und können entsprechend das Verhalten des Ventils 100 beeinflussen.

Wenn sich die Kugel 104 axial vom Ventilsitz 108 um eine Strecke abhebt oder bewegt, die etwa 25% ihres Durchmessers entspricht, kann der Durchflussspalt 102 geringer sein als 5% des Kugeldurchmessers und bei einigen Anwendungsfällen etwa 3,5% des Kugeldurchmessers betragen. Wenn sich in diesem Beispiel die Kugel 104 vom Ventilsitz 108 eine Strecke wegbewegt, die etwa 6% und etwa 15% des Kugeldurchmessers beträgt, kann der Durchflussspalt geringer sein als 2% und geringer sein als 3% des Kugeldurchmessers. Solche Werte können auch Sollwerte für andere beispielhafte Ventilkonstruktionen sein. Wenn bei einer Ausführungsform die Ventilkugel 104 vom Ventilsitz 108 eine Strecke verschoben wird, die etwa 6,2% des Kugeldurchmessers beträgt, kann der Durchflussspalt etwa 1,5% des Kugeldurchmessers betragen, und wenn die Ventilkugel 104 vom Ventilsitz 108 um eine Strecke verschoben wird, die etwa 15,6% des Kugeldurchmessers entspricht, kann der Durchflussspalt etwa 2,8% des Kugeldurchmessers betragen. Eine Kurve, die diese drei Punkte entsprechend der Axialverschiebung der Kugel von etwa 6,2%, 15,6% und 25% des Kugeldurchmessers verbindet, bildet eine gekrümmte oder bogenförmige Fläche. Vorzugsweise ist die bogenförmige oder gekrümmte Fläche am Ventilsitz 108 oder in der Nähe desselben abgestumpft. wenn beim Testen eines so ausgebildeten Ventils der resultierende Druckabfall über das Ventil bei irgendeiner speziellen Axialverschiebung der Ventilkugel zu groß ist, kann der Netto-Durchflussspalt bei der speziellen Axialverschiebung der Ventilkugel verringert werden.

Empirische Daten haben eine Beziehung zwischen dem Durchsatz durch das Ventil 100 und der Axialposition der Ventilkugel 104 relativ zum Ventilsitz 108 ergeben. Der Druck aufstromseitig des Ventils 100 legt die Geschwindigkeit des Fluidstromes durch den Durchflussspalt 102 zwischen der Ventilkugel 104 und dem Ventilgehäuse 106 fest. Eine CFD-Analyse hat ergeben, dass bei einer Verringerung der Größe des Eintrittslochs die auf die Ventilkugel aufstromseitig des Durchflussspaltes einwirkende Kraft verringert wird. Die CFD-Analyse bestätigt, dass es einen Bereich mit geringem statischen Druck im Durchflussspalt 102 zwischen der Kugel 104 und dem Ventilsitz 108 gibt und dass die hohe Geschwindigkeit des Fluidstromes in diesem Bereich den Bereich niedrigen Drucks erzeugt. Durch die Erhöhung des Durchmessers des Eintrittslochs 110 wird die Größe des Bereiches niedrigen Drucks verringert. Der Bereich der Zone niedrigen Drucks kann auch verringert werden, indem die Form des Ventilsitzes 108 verändert wird, um die wirksame Verschiebung der Kugel 104 zu vergrößern. Die CFD-Analyse zeigt ferner, dass die Veränderung des aufstromseitigen Drucks und/oder die Veränderung der Geometrie der Ventilkomponenten keinen signifikanten Effekt auf das Verhältnis zwischen der auf die Kugel einwirkenden Axialkraft und der erforderlichen Sprengkraft zum anfänglichen Öffnen des Ventils hat.

Der Bereich abstromseitig des Ventilsitzes 108 kann das Verhalten des Ventils in mindestens zwei Weisen beeinflussen. Zuerst kann er die Axialposition der Kugel 104 bei Durchsätzen über dem geplanten Durchfluss beeinflussen (da der Durchflussspalt bei einer größeren axialen Verschiebung der Ventilkugel geregelt wird). Als zweites kann er eine Diffusion des Fluides bewirken, das durch den Durchflussspalt 102 dringt. Wenn der Bereich abstromseitig des Ventilsitzes 108 erhöht wird (d. h. gekrümmt, verjüngt etc. wird), kann der maximale Durchflussbereich des Ventils vergrößert werden, obwohl die Schaffung des erhöhten Bereiches es schwieriger machen kann, den statischen Druck auf der abstromseitigen Seite der Ventilkugel vorauszusagen. Wenn Fluid auf der abstromseitigen Seite der Kugel 104 diffundiert, wirken die resultierenden Kräfte auf die Kugel der Axialverschiebung der Kugel vom Ventilsitz 108 weg entgegen und können zur Instabilität des Ventils beitragen.

Die Größe des Federführungsbereiches 114 des Ventilgehäuses 106 kann die Geradlinigkeit der Feder 106 und die Fluiddrosselung, die mit dem Fluidstrom um den Kopf der Feder 116 herum verbunden ist, beeinflussen. Federführungen 114 mit einem kleineren Durchmesser als ein Austrittsloch 118 oder Austrittslöcher des Ventils sind mit guten Ergebnissen getestet worden. Beispielsweise betrugen bei einem getesteten Ventil der Durchmesser des Austrittsloches 118 etwa 4,55 mm und der Durchmesser des Federführungsbereiches 14 etwa 4,25 mm. Wenn die Federführung 114 zu klein ist, kann das Ventil eine Druckabfalldiskontinuität bei hohen Durchsätzen aufweisen.

Der Seitenschlitz 120 kann zwei Funktionen haben: er kann einen erhöhten Durchflussbereich abstromseitig des Ventilsitzes 108 ermöglichen und ferner die Möglichkeit verringern, dass das Ventil ohne eine Feder 116 gebaut wird. Wenn der Seitenschlitz 120 nicht benutzt wird und eine Kraftstoffpumpe einschließlich eines Ventils oder ein Ventil selbst ohne eine Feder 116 gebaut wird, dichtet die Kugel 104 gegenüber einem Federhalter 122 ab und kann der Anschein erweckt werden, dass das Ventil richtig funktioniert, obwohl dies nicht der Fall ist.

Eine Halterzone 124 des Ventilgehäuses 106 sollte koaxial zur Achse des Gehäuses verlaufen und eine ausreichende Wanddicke besitzen, um eine Bewegung des Halters 122 zu vermeiden. Eine Bewegung des Halters 122 beeinflusst beispielsweise die auf die Ventilkugel 104 einwirkende Federkraft. Bei einem Ventil beträgt der Durchmesser der Halterzone 4,55 mm ± 0,05 mm, und die Halterzone hat vorzugsweise eine Wanddicke von mindestens 2 mm.

Die Ausbildung des Austrittslochs 118 bzw. der Austrittslöcher kann dazu beitragen, den Maximaldruck bei maximalem Durchfluss durch das Ventil zu regeln und vorzugsweise zu minimieren. Der Austrittslochdurchflussbereich kann den Druckabfall über das Ventil beeinflussen. Wenn der Austrittslochdurchmesserbereicht zu gering ist, steigt der Druckabfall über das Ventil an.

Derartige Ventile können in Fluidpumpen, wie Kraftstoffpumpen, abstromseitig eines Auslasses der Kraftstoffpumpe Verwendung finden (d. h. abstromseitig der Kraftstoffpumpe oder in einem Gehäuse einer Kraftstoffpumpe, mit der Kraftstoff unter Druck abgegeben wird, gelagert). Wie durch die Linie 130 in 13 gezeigt, nimmt der Durchsatz des von einer Kraftstoffpumpe (beispielsweise von mit einem Elektromotor angetriebenen Pumpen, die üblicherweise in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen Verwendung finden) abgegebenen Fluides ab, wenn der Druck des Fluides ansteigt. Wie durch die Linie 132 gezeigt, kann im Gegensatz dazu der Fluiddurchfluss durch das Ventil ansteigen, wenn der Druck des Fluides ansteigt. Aufgrund dieser Information kann die richtige Ventilgröße und Ausführung ausgewählt werden, um mit und in einem großen Anwendungsbereich zu operieren, beispielsweise einem großen Bereich von Kraftstoffpumpen, die mit unterschiedlichen Drücken und Durchsätzen arbeiten können.

Die 14-16 zeigen CFD-Analyse-Diagramme einer Ventilkonstruktion, die bei verschiedenen Drücken arbeitet, beispielsweise durch Verändern der Federkraft, was durch Bewegung des Halter und Veränderung der Kompression der Feder durchgeführt werden kann. Wie in 14 gezeigt, arbeitet das Ventil bei einem Druck von etwa 150-170 kPa über einen Bereich von Durchsätzen von etwa 20 l/h bis etwa 80 l/h, wenn der Halter auf eine Nenntiefe von 3,5 mm vom Ende des Ventilgehäuses eingestellt ist. Wenn, wie in 15 gezeigt, der Halter auf eine Tiefe von etwa 7 mm eingestellt ist, arbeitet das Ventil bei etwa 650 kPa über einen Bereich von Durchsätzen von etwa 40 l/h bis zu über 200 l/h. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist das Ventil für einen Druck von etwa 650 kPa ausgelegt und besitzt eine generell lineare Kurve über einen breiten Bereich von Durchsätzen. Wenn, wie in 16 gezeigt, der Halter auf eine Tiefe von etwa 8,5 mm eingestellt ist, arbeitet das Ventil bei etwa 850-900 kPa über einen Bereich von Durchsätzen zwischen etwa 40 l/h bis über 200 l/h. Es kann daher eine einzige Ventilkonstruktion in einem großen Bereich von Anwendungsfällen in Abhängigkeit von den Durchsatz- und Druckerfordernissen Verwendung finden.

Natürlich sind auch andere Modifikationen, Variationen oder Anordnungen für den Fachmann ersichtlich. Die vorherige Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist daher lediglich beispielhaft und nicht beschränkend. Es wurden auch diverse andere Konstruktionen und Anordnungen offenbart. Wie vorstehend erläutert, sind jedoch auch noch weitere Ausführungsformen für den Fachmann ersichtlich, die alle unter das Konzept und den Umfang der Erfindung fallen, die durch die Patentansprüche vorgegeben werden. Beispielsweise ist der Ventilkopf zwar als Ventilkugel dargestellt, kann jedoch auch andere Formen oder Anordnungen besitzen, wie dies für den speziellen Anwendungsfall des Ventils erwünscht ist.