專利名稱：具有降低的腐蝕特性的球座閥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及己知的用于調節(jié)流體介質的流量的球座閥。這類球座閥應 用在許多技術領域中，在這些技術領域中必需例如在液壓調節(jié)范圍內調節(jié) 流體介質例如氣體或液體的流量。
背景技術：
這類球座閥的一個重要應用示例是在汽車技術領域中，尤其是在噴射 技術領域中。因此，球座閥被應用在很多噴射裝置中，用于調節(jié)這類的系 統(tǒng)的液壓力和/或控制這類系統(tǒng)的噴射特性。球座閥主要用在高壓蓄壓噴射 系統(tǒng)(共軌系統(tǒng))的區(qū)域中，以便控制噴射閥元件的行程，該噴射閥元件
打開或關閉噴射孔。在DE 101 52 173 Al和DE 196 50 865 Al中提到了這 類裝置的例子。在此，直接或間接地影響噴射閥元件行程的控制室直接地 或通過另一個經過入口的孔與球座閥處于連接。球座閥除了閥球以外還具 有執(zhí)行機構，該執(zhí)行機構將閥球壓在閥座上或者從閥座上抬起，以便使控 制室與卸壓室分開或者與卸壓室連接。
例如在DE 101 52 173 Al中也示出，從現(xiàn)有技術中已知的用于調節(jié)流 量的球座閥通常在面向控制室的入口一側具有前置節(jié)流裝置。在該前置節(jié) 流裝置上向著球座閥銜接有一個或多個入口擴寬部，所述入口擴寬部可以 采用不同的形狀。
但是從現(xiàn)有技術中已知的常規(guī)球座閥在實踐中、尤其是在以幾千巴 (bar)壓力工作的高壓噴射系統(tǒng)中具有強烈腐蝕的缺陷。這種腐蝕尤其源 于前置節(jié)流裝置處的空穴現(xiàn)象，空穴現(xiàn)象絕大部分出現(xiàn)在節(jié)流行程邊界 (Hubdrosselgrenze)之外。在此，球座閥行程邊界稱為節(jié)流行程邊界，在 該行程邊界的上方，在球座閥前后壓力恒定時，流量不再變化。前置節(jié)流 裝置處的所述空穴效應尤其在球座閥的閥座區(qū)域中由于冷凝而進一步導致 所謂的氣蝕。由此改變球座閥的關閉特性，并且由此改變噴射裝置的噴射 特性。
發(fā)明內容
因此提出一種用于調節(jié)流體介質的流量的球座閥以及一種包括這類球 座閥的噴射裝置，它們避免上述的現(xiàn)有技術中的缺陷。所提出的球座閥尤 其具有一種幾何形狀，在該幾何形狀的情況下氣蝕強烈地減少并且在該幾 何形狀的情況下還是可能出現(xiàn)的氣蝕不會如此地損傷閥座，以至于閥座變 得不密封。
為了優(yōu)化球座閥的幾何形狀已經進行了模擬計算，該模擬計算展現(xiàn)了 球座閥處的流體介質的、對于氣蝕重要的參數(shù)。這些參數(shù)尤其是在流體介 質中出現(xiàn)的壓力、流體介質的速度、流體介質總體積的蒸汽份額以及流體 介質的液相和氣相之間的質量轉換率。
在這些模擬計算中已經證實，如果使用一個通向球座閥閥座的(尤其 在高壓側的)入口，而該入口具有前置節(jié)流裝置和向著閥座銜接在前置節(jié) 流裝置上的擴壓器且該擴壓器具有在閥座側的收縮部，則允許有效地減少 氣蝕。在此， 一般性地將前置節(jié)流裝置和閥座之間的區(qū)域稱為"擴壓器"。
與例如在DE 101 52 173 Al中所述的(尤其是階梯形的)擴寬部相比， 這種具有按照本發(fā)明的收縮部的特殊擴壓器形狀使得上述參數(shù)在閥座區(qū)域 中具有特別的空間曲線，通過該空間曲線避免氣蝕。在此通過閥座前面的 收縮部使流體介質流如此地偏轉，使得明顯減少閥座區(qū)域中的氣蝕風險。
在閥座和擴壓器孔之間的倒角一般稱為"赫爾哥特倒角(Helgetfase)"。 對于已知的閥座幾何形狀，在該赫爾哥特倒角區(qū)域中出現(xiàn)死水區(qū)域，即流 動與孔壁分離的區(qū)域。但是這種流動分離還導致指向壁的流動，即尤其是 流體在向著壁的方向上的速度分量。而在按照本發(fā)明的幾何形狀中不出現(xiàn) 或明顯減少流體介質的流動分離。由此也避免或至少明顯減少赫爾哥特倒 角中的指向壁的流動，也就是說明顯減少或完全避免垂直于孔壁的速度分
此外，通過閥座下面的赫爾哥特倒角中的新幾何形狀明顯減少流體介 質在壁附近的氣相份額。由此在閥座區(qū)域中在壁附近沒有或僅有無關緊要 的蒸汽份額，所述蒸汽份額可以冷凝。因此，該區(qū)域中的冷凝率非常低。 由于平行于壁的流動、微小的蒸汽份額和在壁附近的低冷凝率的共同出現(xiàn)， 通過按照本發(fā)明的幾何形狀有效地避免了氣蝕。
因此，按照本發(fā)明的球座閥和按P本發(fā)明的噴射裝置具有高的長期穩(wěn)定性。所述噴射裝置在長的使用時間期間仍顯示出均勻的噴射特性和低的 泄漏率。
本發(fā)明的實施例在附圖中示出并且在下面的描述中詳細解釋。附圖中
圖1A和1B示出常規(guī)球座閥入口的幾何形狀；
圖2示出按照本發(fā)明的具有圓柱形擴壓器的球座閥的實施例；
圖3示出替代圖2的具有錐形擴壓器的實施例；
圖4示出與圖1B類似的、在閥座區(qū)域中的收縮部的細節(jié)圖。
具體實施例方式
在圖1A中示出根據(jù)現(xiàn)有技術的球座閥110，該球座闊110例如相應于 在DE 101 52 173 Al中示出的結構。同樣如下所述，球座閥110的該示例 是兩位兩通閥。但是也可以想到其它設計方案。
球座閥110例如應用在噴射裝置中并且用于使與控制室處于連接的孔 112與卸壓室114連接或者與卸壓室114分離。為此借助執(zhí)行機構118將關 閉元件116壓在錐形閥座120上或者從該閥座上抬起，其中關閉元件在這 種情況下指的是閥球。也可以使用其它的關閉元件形狀替代球形關閉元件 116，優(yōu)選本領域技術人員所知的、修圓的形狀。
孑L 112通過入口 122與卸壓室114處于連接，在孔112中例如可以存 在2000巴范圍內的燃料壓力，入口 122是球座閥IIO的組成部分并且被構 造成閥體124中的孔。
入口 122首先在指向孔112的一側具有圓柱形的前置節(jié)流裝置126，在 該前置節(jié)流裝置126上向著閥座120銜接有圓柱形擴壓器128。在此，在前 置節(jié)流裝置126和擴壓器128之間的過渡部處通常設置略微的傾斜度。通 過前置節(jié)流裝置126的橫截面顯著地影響和調節(jié)經過球座閥110在節(jié)流行 程邊界上方的流量。
如在DE 196 50 865 Al中所示，執(zhí)行機構118例如可以是磁性執(zhí)行機 構，在該執(zhí)行機構中通過電磁體適當?shù)卣{節(jié)關閉元件116的位置。但是也 可以使用其它形式的執(zhí)行機構。
在圖1B中以放大的細節(jié)圖示出在闊處于打開位置時入口 122到閥座
6120的過渡部。在此可以看出，入口 122在這個過渡部處具有錐形擴寬部， 如例如同樣在DE 101 52 173 Al中提出的那樣。
如上所述，為了模擬地獲得該過渡區(qū)域中的上述關鍵參數(shù)，已經進行 了不同的模擬計算。在此得知，在圖1A和1B中所示的、相應于現(xiàn)有技術 的實施方式中，在就噴射裝置而言在卸壓室114和孔112之間實現(xiàn)的壓力 差下，在對于球座閥110的密封特性特別關鍵的密封區(qū)域132中出現(xiàn)約200 至400m/s范圍內的速度，在所述密封區(qū)域中關閉元件116在關閉狀態(tài)下支 承在密封座120上。所述速度具有相對于閥體124壁的角度，所述角度位 于最大達30。至45°的范圍內。
此外，在這個特別關鍵的區(qū)域中得到蒸汽份額(其中主要就柴油進行 模擬)最大達總體積的0.7至0.8。此外氣相到液相的質量轉換率在該密封 區(qū)域132中是比較高的并且直到約30000kg/ ("m3)(與工作點有關)。如 上所述，垂直于閥體124壁的高的速度分量、高的能夠冷凝的蒸汽份額和 高的質量轉換率導致密封區(qū)域中的氣蝕。
而在圖2和3中示出按照本發(fā)明的球座閥110的實施例，該球座閥110 例如可以應用在按照本發(fā)明的燃料噴射裝置135中，例如應用在共軌噴射 器中。球座閥110同樣也具有入口 122，該入口 122在其與孔112連接的一 側具有前置節(jié)流裝置126。
也與在按照圖1A的實施例中一樣，擴壓器128向著閥座120銜接在前 置節(jié)流裝置126上。在此，在圖2和3中示出該擴壓器128的不同設計方 案，但是該擴壓器在各種情況下都在其向著閥座120的一側具有收縮部 134。
在圖2所示的實施例中，擴壓器128在前置節(jié)流裝置126和收縮部134 之間構造成基本連續(xù)的、圓柱形的擴壓器區(qū)段136。而在圖3所示的實施例 中，擴壓器128在前置節(jié)流裝置126和收縮部134之間基本上分成三個分 區(qū)段連接在前置節(jié)流裝置126上的第一圓柱形擴壓器區(qū)段138、向著閥座 120方向擴寬的錐形擴壓器區(qū)段140和向上一直延伸到收縮部134的第二圓 柱形擴壓器區(qū)段142。
在圖3中所示的具有錐形擴壓器區(qū)段140的擴壓器128的設計方案中， 在錐形擴壓器區(qū)段140和第二圓柱形擴壓器區(qū)段142之間在閥體124中還 設置有可選的分界面144。該分界面144使噴射裝置135的兩個結構組件分開，這兩個結構組件例如可以通過外置的、在圖3中未示出的鎖緊螺母相 互連接。該分界面144顯著地使擴壓器128易于加工，因為在這種情況下 例如第一圓柱形擴壓器區(qū)段138和錐形擴壓器區(qū)段140可以共同通過孔從 上面制造。
與圖1B類似，在圖4中示出在圖2或3中示出的具有收縮部134的球 座閥110實施例的、在入口 122和卸壓室114之間的過渡部細節(jié)圖。如圖4 所示，收縮部134在此被構造成三部分式銜接在圓柱形擴壓器區(qū)段136 或142 (視按照圖2還是圖3的實施例而定)上的第一錐形收縮區(qū)段146、 接著是圓柱形收縮區(qū)段148并且最后是第二錐形收縮區(qū)段150。
在此，第一錐形收縮區(qū)段146被如此設計，使得閥體124的壁與入口 軸線152在該區(qū)域中形成在20。至80°之間、優(yōu)選在25°至65°之間的 角度a。類似地，閥體124的壁與入口軸線152在第二錐形收縮區(qū)段150 中形成角度(3，該角度P位于相同的角度范圍內。
各個收縮區(qū)段146、 148、 150的長度可以在一寬的范圍內構成。在該 實施例中，圓柱形收縮區(qū)段148的長度約為收縮部134總長度的15%，并 且第一錐形收縮區(qū)段146的長度約為收縮部134總長度的50%。但是其它 設計方案也是可能的，尤其是與所述分配例如最大偏差一個因子3。此外與 在此所示的、在圓柱形收縮區(qū)段和錐形收縮區(qū)段之間具有陡的過渡部的實 施例不同，修圓也是可行的。
對于收縮部134在入口軸線152方向上的總長度，即收縮區(qū)段146、148 和150的和，已經被證實特別適合的尺寸在相對于擴壓器的最大橫截面DD 大于0%且小于100%的范圍內(例如在30%至80%之間或在45%至70% 之間)，并且尤其在0%至50%之間。
在該實施例中，收縮部134在圓柱形收縮區(qū)段148的區(qū)域中具有它的 最窄直徑Dv。該收縮部直徑Dv優(yōu)選位于擴壓器128最大直徑的30%至 70%的范圍內、特別優(yōu)選在40%至60%的范圍內、尤其是在55%至60% 的范圍內。擴壓器128的所述最大直徑在圖4中以Do表示并且在該實施例 中是第二圓柱形擴壓器區(qū)段142的直徑(圖3中的實施例)或者圓柱形擴 壓器區(qū)段136的直徑(按照圖2的實施例)。在噴射裝置135中存在典型壓 差的情況下，收縮部134的這種選取產生具有最少氣蝕的設計方案。
也已經對在圖4中所示的實施例進行了模擬計算，以便獲得上述的、表征流量和氣蝕的參數(shù)。該模擬計算顯示出比在圖IB中所示的、相應于現(xiàn) 有技術的實施例明顯改善的值。
已經證實，在密封區(qū)域中，尤其是在這樣的區(qū)域中，關閉元件116在
球座閥110關閉的情況下在該區(qū)域中支承在閥座120上，出現(xiàn)低于200m/s 的速度，其中，對于氣蝕重要的是，流動實際上連續(xù)地平行于閥體124的 壁進行。此外，流體介質的氣相體積份額(仍然以柴油計算)與圖1B的結 果相比明顯減少并且得到低于0.2的值。上述的從氣相到液相的質量轉換率 (即形成氣蝕的主要原因的冷凝特性)也明顯降低并且在關鍵的密封區(qū)域 132中位于10000kg/ (s'm3)以下。
這些結果顯示出，按照本發(fā)明的收縮部134達到上述的減少氣蝕的作 用并且導致所要求保護的球座閥110的長期穩(wěn)定性得到提高。
9
權利要求
1.一種用于調節(jié)流體介質的流量的球座閥(110)，具有閥座(120)和修圓的關閉元件(116)，該關閉元件(116)尤其是閥球，所述球座閥(110)還具有帶有前置節(jié)流裝置(126)的入口(122)和設置在前置節(jié)流裝置(126)和閥座(120)之間的擴壓器(128)，其特征在于，擴壓器(128)在其面向閥座(120)的一側具有收縮部(134)。
2. 如前項權利要求所述的球座閥(110)，其特征在于，收縮部(134) 具有相對于擴壓器(128)最大橫截面、尤其是相對于擴壓器(128)最大 直徑縮小到30%至70%、尤其是40°/。至60%且特別優(yōu)選55%至60%的入 口 (122)橫截面、尤其是入口 (122)直徑。
3. 如上述兩個權利要求中任一項所述的球座閥(110)，其特征在于， 收縮部(134)具有沿著入口軸線的長度，該長度在擴壓器(128)最大橫 截面的0%至100%之間、尤其是在0%至50%之間。
4. 如上述權利要求中任一項所述的球座閥(110)，其特征在于，收縮 部(134)具有背離閥座(120)的錐形收縮區(qū)段(146)。
5. 如前項權利要求所述的球座閥(110)，其特征在于，錐形收縮區(qū)段 (146)具有相對于入口軸線的開孔角，該開孔角在20。至80°之間且優(yōu)選在25°至65°之間。
6. 如上述兩個權利要求中任一項所述的球座閥(110)，其特征在于， 收縮部(134)還具有設置在錐形收縮區(qū)段(146)和閥座(120)之間的圓 柱形收縮區(qū)段(148)。
7. 如前一權利要求所述的球座閥(110)，其特征在于，收縮部(134) 還具有設置在圓柱形收縮區(qū)段(148)和閥座(120)之間的第二錐形收縮 區(qū)段(150)。
8. 如上述權利要求中任一項所述的球座閥(110)，其特征在于，擴壓 器(128)在收縮部(134)前面具有圓柱形擴壓器區(qū)段(136; 138， 142)。
9. 如前一權利要求所述的球座閥(110)，其特征在于，擴壓器(128) 附加地在圓柱形擴壓器區(qū)段(136; 138， 142)前面具有錐形擴壓器區(qū)段(140)。
10. 如前一權利要求中所述的球座閥(IIO)，其特征在于，球座閥(IIO)具有閥體(124)，該閥體(124)在圓柱形擴壓器區(qū)段(142)和錐形擴壓 器區(qū)段(140)之間的過渡部處具有分界面(144)。
11. 一種用于將燃料從高壓蓄壓器噴射到內燃機燃燒室中的噴射裝置 (135)，包括至少一個用于打開和關閉至少一個噴射孔的噴射閥元件，還包括至少一個與噴射閥元件液壓連接的控制室(112)，其特征在于，控制 室(112)與卸壓室(114)通過至少一個如上述權利要求中任一項所述的 球座閥(110)連接。
12. 如前一權利要求所述的噴射裝置(135)，其特征在于，設置有至 少一個用于操縱關閉元件(116)的機電式執(zhí)行機構(118)，其中，該機電 式執(zhí)行機構(118)尤其包括電磁執(zhí)行機構和/或壓電執(zhí)行機構。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于調節(jié)流體介質的流量的球座閥(110)。該球座閥(110)具有閥座(120)和修圓的關閉元件(116)，該關閉元件(116)尤其是閥球。該球座閥(110)還具有帶有前置節(jié)流裝置(126)的入口(122)和設置在前置節(jié)流裝置(126)和閥座(120)之間的擴壓器(128)。所述擴壓器(128)在其面向閥座(120)的一側具有收縮部(134)。
文檔編號F02M47/02GK101595297SQ200880003569
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月3日 優(yōu)先權日2007年1月30日
發(fā)明者F·特拉克塞爾, G·格林格爾, R·米特 申請人:羅伯特·博世有限公司