ES2628064T3 - Dispositivo de válvula para controlar o dosificar un fluido - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de válvula (22) para controlar o dosificar un fluido, con una carcasa (30), un canal de flujo (38) y un cuerpo de válvula (36) dispuesto en el canal de flujo (38), que presenta una sección de estanqueidad (34), que con el dispositivo de válvula cerrado (22) se apoya en un asiento estanco del lado de la carcasa (32), con lo que la sección de estanqueidad (34) y el asiento estanco (32) juntos forman una zona de estanqueidad (42), caracterizado porque directamente aguas arriba de la zona de estanqueidad (42) en el canal de flujo (38) con el dispositivo de válvula cerrado (22) hay una cámara de desagregación (44) formada por medio de un receso escalonado en la carcasa (30), limitada por una pared deflectora (46) formada en la carcasa (30), estando la pared deflectora (46) inclinada al menos por zonas respecto a la normal (58) a la zona de estanqueidad (42) con un ángulo de como máximo en torno a 15° en la dirección de flujo (40) hasta como máximo en torno a 60° en contra de la dirección de flujo (40).

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de valvula para controlar o dosificar un fluido Estado actual de la tecnica
La presente invencion se relaciona con un dispositivo de valvula segun el concepto general de la reivindicacion 1, as! como con una valvula para el control del volumen segun la reivindicacion secundaria.
Los dispositivos de valvula, por ejemplo, valvulas de control del volumen de un sistema de combustible de un motor de combustion interna, se conocen del mercado. Frecuentemente presentan tales dispositivos de valvula un cuerpo de valvula, que en una seccion de estanqueidad chocan contra un asiento estanco del lado de la carcasa y puede cerrar por consiguiente el dispositivo de valvula. El asiento estanco se configura por ejemplo plano, cillndrico, esferico o conico. En estado cerrado del dispositivo de valvula pueden aparecer pulsaciones de presion en las llneas hidraulicas conectadas al dispositivo de valvula, por lo que en la zona de la seccion de estanqueidad y/o del asiento estanco puede originarse un vapor llquido ("burbujas de vapor"). Al implosionar estas burbujas de vapor se origina una llamada erosion por cavitacion en las secciones circundantes de la carcasa y/o del cuerpo de valvula.
Revelacion de la invencion
El problema subyacente de la invencion se resuelve mediante un dispositivo de valvula segun la reivindicacion 1, as! como una valvula para el control del volumen segun la reivindicacion secundaria. Perfeccionamientos favorables se indican en las subreivindicaciones. Indicaciones importantes para la invencion se encuentran ademas en la siguiente descripcion y en los disenos, pudiendo las indicaciones ser importantes para la invencion tanto aisladamente como tambien en diversas combinaciones, sin que se advierta expllcitamente al respecto una vez mas.
El dispositivo de valvula conforme a la invencion ofrece la ventaja de que se mejora la resistencia a la erosion por cavitacion en la zona de un asiento estanco y/o de una seccion de estanqueidad del dispositivo de valvula. Ademas, el coeficiente de flujo y/o la calda de presion a lo largo de un canal de flujo, as! como la elevacion de la valvula, el tiempo de conmutacion de la valvula y la resistencia a la fatiga del dispositivo de valvula se mantienen esencialmente inalterados.
La invencion se basa en la consideracion de que una alta resistencia a la erosion por cavitacion en una zona de estanqueidad formada por una seccion de estanqueidad y un asiento estanco, por un lado, y un alto coeficiente de flujo del dispositivo de valvula por otro lado, pueden ser requisitos opuestos. En realidad, es posible, por medio de chaflanes o redondeces situado/as delante directamente aguas arriba de la zona de estanqueidad elevar el coeficiente de flujo del dispositivo de valvula - con elevacion de la valvula inalterada -. Sin embargo, de este modo se origina con el dispositivo de valvula cerrado una abertura tipo cuna en seccion transversal entre la seccion de estanqueidad y el asiento estanco. Las burbujas del fluido formadas debido a efectos de cavitacion - en funcion de la respectiva presion - se desintegren en esta abertura en ultimo lugar y por consiguiente comparativamente rapido, por lo que puede producirse una erosion de la seccion de estanqueidad y/o del asiento estanco.
Conforme a la invencion, el dispositivo de valvula muestra en un canal de flujo directamente aguas arriba de la zona de estanqueidad con el dispositivo de valvula cerrado una camara de desagregacion. Ademas, una pared llmite de la camara de desagregacion queda formada por una pared deflectora, que limita con la zona de estanqueidad, estando la pared deflectora inclinada al menos por zonas respecto de la normal a la zona de estanqueidad con un angulo de como maximo en torno a 15° en la direccion de flujo hasta como maximo en torno a 60° en contra de la direccion de flujo. Otra pared llmite de la camara de desagregacion discurre por ejemplo aproximadamente paralela a la zona de estanqueidad, de forma que aguas arriba de la zona de estanqueidad resulte un tramo situado delante. Con el dispositivo de valvula abierto, puede desviarse el flujo ya en la zona de la camara de desagregacion casi paralelamente a la seccion de estanqueidad y/o al asiento estanco, de forma que se atraviese la zona de estanqueidad casi en toda su seccion transversal.
Una ordenacion de la invencion preve que la pared deflectora este inclinada al menos por zonas respecto a la normal a la zona de estanqueidad con un angulo de como maximo en torno a 5° en la direccion de flujo hasta como maximo en torno a 20° en contra de la direccion de flujo, mas preferentemente que la pared deflectora este inclinada al menos por zonas respecto a la normal a la zona de estanqueidad con un angulo de como maximo en torno a 2° en la direccion de flujo hasta como maximo en torno a 10° en contra de la direccion de flujo, aun mas preferentemente que la pared deflectora este inclinada al menos por zonas respecto a la zona de estanqueidad en angulo recto. Con ello se describen zonas para una orientacion espacial de la pared deflectora, en las que se alcanza una relacion especialmente favorable de baja erosion por cavitacion, por un lado, y una alta velocidad de flujo y/o baja calda de presion a lo largo del canal de flujo por otro lado. En las zonas de angulo mencionadas, el efecto previsto por la invencion es, por consiguiente, especialmente alto.
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La invencion preve ademas que la pared deflectora se configure en una carcasa del dispositivo de valvula. De este modo se configura la camara de desagregacion en la carcasa.
La camara de desagregacion esta formada conforme a la invencion por medio de un receso gradual en la carcasa y esta limitada por la pared deflectora configurada en la carcasa.
El coeficiente de flujo del dispositivo de valvula puede mejorarse, cuando una pared llmite del canal de flujo tenga aguas arriba de y cerca de la pared deflectora una redondez o un chaflan. Con ello puede elevarse adicionalmente la velocidad de flujo en la zona de estanqueidad, sin que aumente la erosion por cavitacion.
Ademas se preve que una pared llmite del canal de flujo tenga directamente aguas arriba de la redondez un angulo respecto a un eje longitudinal del canal de flujo de como maximo +/- 15° grados. De este modo se describe una geometrla especialmente apropiada del dispositivo de valvula.
La erosion por cavitacion puede reducirse adicionalmente, cuando en una pared llmite del canal de flujo aguas arriba de y cerca de la pared deflectora y/o en la pared deflectora haya un destalonado. Con el dispositivo de valvula cerrado, puede mantenerse el extremo hidraulico de la zona de fluido situada aguas arriba y por consiguiente el lugar de desagregacion de las burbujas de cavitacion especialmente mas alejado de la zona de estanqueidad. Cuanto mayor sea y/o cuanto mas profundo se coloque el destalonado, tanto menor sera en general la erosion por cavitacion.
Otras configuraciones preven que el cuerpo de valvula se configure en forma de placa, cillndrica, esferica o conica o se trate de una valvula biconica. Para estas geometrlas del cuerpo de valvula y/o del dispositivo de valvula puede utilizarse la invencion favorablemente.
La production del dispositivo de valvula puede simplificarse y abaratarse, cuando la carcasa sea multiseccional en la zona de la pared deflectora. De este modo se pueden fabricar las geometrlas polifaceticas antes descritas del dispositivo de valvula aguas arriba de la zona de estanqueidad en cada caso mediante elementos separados y con ello mas facilmente.
A continuation se aclaran formas ejemplares de ejecucion de la invencion en referencia al diseno. En el diseno muestran:
Figura 1 un esquema simplificado de un sistema de combustible con una bomba de combustible y un
dispositivo de valvula;
Figura 2 una vista en section simplificada de un primer modo de operation del dispositivo de valvula de la
Figura 1 en estado abierto;
Figura 3 el dispositivo de valvula de la Figura 2 en estado cerrado;
Figura 4 una vista en seccion simplificada de un segundo modo de operacion del dispositivo de valvula;
Figura 5 una vista en seccion simplificada de un tercer modo de operacion del dispositivo de valvula;
Figura 6 una vista en seccion simplificada de un cuarto modo de operacion del dispositivo de valvula;
Figura 7 una vista en seccion simplificada de un quinto modo de operacion del dispositivo de valvula;
Figura 8 una vista en seccion simplificada de un sexto modo de operacion del dispositivo de valvula;
Figura 9 una vista en seccion simplificada de un septimo modo de operacion del dispositivo de valvula;
Figura 10 una vista en seccion simplificada de un octavo modo de operacion del dispositivo de valvula.
Para elementos y magnitudes funcionalmente equivalentes se usan en todas las Figuras tambien en diferentes formas de ejecucion los mismos slmbolos de referencia.
La Figura 1 muestra un sistema de combustible 10 de un motor de combustion interna en una representation muy simplificada. De un tanque de combustible 12 se alimenta combustible a traves de una llnea de suction 14, por medio de una bomba de pre-alimentacion 16, a traves de una llnea de baja presion 18, y a traves de un dispositivo de valvula 22 accionable por un electroiman 20 - que en este caso es una valvula para el control del volumen 22 - de una bomba de alta presion 24 (aqul no mas aclarada). Aguas abajo se conecta la bomba de alta presion 24 a
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traves de una ilnea de alta presion 26 a un acumulador de alta presion 28. Algunos elementos, como por ejemplo valvulas de descarga de la bomba de alta presion 24, no se dibujan en la Figura 1. Se sabe que el dispositivo de valvula 22 y/o la valvula para el control del volumen 22 puede estar configurado/a como grupo con la bomba de alta presion 24. Por ejemplo, la valvula para el control del volumen 22 puede ser una valvula de admision de la bomba de alta presion 24. Aparte de esto, la valvula para el control del volumen 22 puede tener tambien otro equipo de control diferente del electroiman 20, por ejemplo, un piezoactuador o un accionamiento hidraulico.
Durante la operacion del sistema de combustible 10, la bomba de pre-alimentacion 16 extrae combustible del tanque de combustible 12 a la llnea de baja presion 18. Ademas, la valvula para el control del volumen 22 determina la cantidad de combustible suministrada a la camara de transporte de la bomba de alta presion 24.
La Figura 2 muestra un primer modo de operacion del dispositivo de valvula 22 de la Figura 1 en una vista en seccion simplificada. Los elementos del dispositivo de valvula 22 representados en el diseno son esencialmente rotacionalmente simetricos en torno a un eje longitudinal 29 e incluyen una carcasa 30 con un asiento estanco 32, al que puede ajustarse una seccion de estanqueidad 34 de un cuerpo de valvula 36 con el dispositivo de valvula 22 cerrado. En la Figura 2, sin embargo, el dispositivo de valvula 22 esta abierto, es decir, el cuerpo de valvula 36 es alzado axialmente por el asiento estanco 32. En el dispositivo de valvula 22 hay formado un canal de flujo 38, a traves del cual, en la posicion abierta mostrada, circula el fluido - en este caso combustible - a lo largo de las flechas 40.
El asiento estanco 32 y la seccion de estanqueidad 34 se ejecutan planos y paralelos y forman en conjunto una zona de estanqueidad 42. Aguas arriba de la zona de estanqueidad 42 se forma por medio de un receso escalonado en la carcasa 30 una camara de desagregacion 44, limitada por una pared deflectora 46 extendida en angulo recto desde la zona de estanqueidad 42 y/o su plano. Dos llneas de trazos 48 a lo largo del canal de flujo 38 delimitan una seccion transversal del canal de flujo 38 con velocidad de flujo especialmente alta. La distancia de ambas llneas de trazos 48 se caracteriza aguas debajo de la zona de estanqueidad 42 mediante una medida 50.
Se reconoce, que, correspondientemente a las flechas 40, el combustible en el diseno de la Figura 2 circula esencialmente de izquierda a derecha, discurriendo el flujo en primer lugar aproximadamente horizontal y posteriormente antes del cuerpo de valvula 36 se desvla radialmente hacia fuera. La desviacion del flujo se lleva a cabo aguas debajo de un canto 52 comparativamente pronto y de manera baja en perdidas por medio del efecto hidraulico de la camara de desagregacion 44. La medida 50 es solo poco menor que la distancia axial entre el asiento estanco 32 y la seccion de estanqueidad 34, de forma que el combustible pueda fluir comparativamente rapido a traves de la zona de estanqueidad 42 y el coeficiente de flujo del dispositivo de valvula 22 sea correspondientemente bueno.
La Figura 3 muestra el dispositivo de valvula 22 de la Figura 2 en estado cerrado. El cuerpo de valvula 36 se ajusta con la seccion de estanqueidad 34 al asiento estanco 32, de forma que esencialmente no se verifique una circulacion del fluido. En una zona extrema del canal de flujo 38 en el diseno a la izquierda del cuerpo de valvula 36 se representa una zona con burbujas de vapor 54, que se ha formado debido a efectos de cavitacion como consecuencia de pulsaciones de presion. Las burbujas de vapor 54 se ajustan con una superficie comparativamente grande al cuerpo de valvula 36 o son al menos estrechamente adyacentes a este.
Al implosionar las burbujas de vapor 54 se distribuye la tension ademas resultante por una superficie relativamente grande del cuerpo de valvula 36 o de la pared deflectora 46, por lo que se reduce claramente la erosion por cavitacion. el dispositivo de valvula 22 no muestra particularmente en un entorno de la burbuja de vapor 54 ninguna seccion de espacio que se estreche (en forma de cuna), que sea en cada caso especialmente propensa a la erosion por cavitacion.
La Figura 4 muestra otro modo de operacion del dispositivo de valvula 22, donde la camara de desagregacion 44 se extiende a traves de un destalonado 56. De este modo puede y/o pueden mantenerse la(s) burbuja(s) de vapor que implosiona(n) 54 aun mas alejada(s) de la zona de estanqueidad 42 y, por consiguiente, reducirse adicionalmente el peligro de la erosion por cavitacion en el asiento estanco 32 y en la seccion de estanqueidad 34.
La Figura 5 muestra otro modo de operacion del dispositivo de valvula 22, estando la pared deflectora 46 inclinada respecto de una normal 58 a la zona de estanqueidad 42 y/o a su plano en torno a un angulo W1 de 15° en la direccion de flujo. De este modo se obtienen posibilidades adicionales, para dirigir el flujo del fluido y reducir el peligro de erosion por cavitacion. El angulo W1 puede ascender tambien a menos de 15°, por lo que el dispositivo de valvula 22 puede ser aun mas resistente contra la erosion por cavitacion. Esto no se muestra sin embargo en la Figura 5. La Figura 6 muestra otro modo de operacion del dispositivo de valvula 22, donde la pared deflectora 46 esta inclinada respecto de la normal 58 a la zona de estanqueidad 42 en torno a un angulo W2 de 15° en contra de la direccion de flujo. De este modo puede reducirse adicionalmente el peligro de erosion por cavitacion. El angulo W2 puede alcanzar tambien hasta 60°. Esto no se muestra sin embargo en la Figura 6.
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La Figura 7 muestra otro modo de operacion del dispositivo de valvula 22, presentando una pared ilmite del canal de flujo 38 aguas arriba de y cerca de la pared deflectora 46 en vez del canto 52 una redondez 60 con un radio R1.
La pared deflectora 46 puede tambien estar inclinada respecto a la normal 58 a la zona de estanqueidad 42 como maximo en torno a 15° en la direccion de flujo o alternativamente como maximo en torno a 60° en contra de la direccion de flujo. Ambas alternativas se sugieren en la Figura 7 mediante llneas auxiliares. Una pared llmite 61 directamente aguas arriba de la redondez 60 puede estar inclinada respecto al eje longitudinal 29 en torno a un angulo W3 de +/- 15°.
La Figura 8 muestra otro modo de operacion del dispositivo de valvula 22, presentando una pared llmite del canal de flujo 38 aguas arriba de y cerca de la pared deflectora 46 en vez del canto 52 un chaflan 62. Ademas, la pared deflectora 46 puede estar inclinada respecto a la zona de estanqueidad asimismo en torno a un angulo W1 o en torno a un angulo W2 (compare las Figuras 5, 6 y 7).
La Figura 9 muestra un modo de operacion del dispositivo de valvula 22comparable a la Figura 8, implementandose la carcasa 30 en la zona de la pared deflectora 46 multiseccional. En este caso se dispone el chaflan 62 en un elemento de carcasa 64.
La Figura 10 muestra el dispositivo de valvula 22 en una ejecucion como valvula biconica. En un entorno de la zona de estanqueidad 42, este modo de operacion es similar a aquel de la Figura 2 y/o 3. Particularmente se orienta la pared deflectora 46 aproximadamente en angulo recto respecto a la seccion de estanqueidad 34. En la Figura 10, los planos del asiento estanco 32 y de la seccion de estanqueidad 34, as! como la pared deflectora 46 estan, en comparacion a la Figura 2 y/o 3 sin embargo en torno a un determinado angulo - presente en aproximadamente en torno a 45° - inclinados contra el eje longitudinal 29. Correspondientemente asciende tambien el angulo en el canto 52 a aproximadamente 135°.
Las ejecuciones representadas en las Figuras 2 a 10 pueden combinarse al menos parcialmente juntas y posibilitan por consiguiente un gran numero de variantes del dispositivo de valvula 22. Como se representa, el cuerpo de valvula 36 puede configurarse en forma de placa o de cono. Alternativamente puede configurarse el cuerpo de valvula 36 tambien cillndrico o esferico, de lo que otra vez pueden producirse otras variantes del dispositivo de valvula 22.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de valvula (22) para controlar o dosificar un fluido, con una carcasa (30), un canal de flujo (38) y un cuerpo de valvula (36) dispuesto en el canal de flujo (38), que presenta una seccion de estanqueidad (34), que con el dispositivo de valvula cerrado (22) se apoya en un asiento estanco del lado de la carcasa (32), con lo que la seccion de estanqueidad (34) y el asiento estanco (32) juntos forman una zona de estanqueidad (42), caracterizado porque directamente aguas arriba de la zona de estanqueidad (42) en el canal de flujo (38) con el dispositivo de valvula cerrado (22) hay una camara de desagregacion (44) formada por medio de un receso escalonado en la carcasa (30), limitada por una pared deflectora (46) formada en la carcasa (30), estando la pared deflectora (46) inclinada al menos por zonas respecto a la normal (58) a la zona de estanqueidad (42) con un angulo de como maximo en torno a 15° en la direccion de flujo (40) hasta como maximo en torno a 60° en contra de la direccion de flujo (40).
  2. 2. Dispositivo de valvula (22) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la pared deflectora (46) esta inclinada al menos por zonas respecto a la normal (58) de la zona de sellado (42) con un angulo de como maximo en torno a 5° en la direccion de flujo (40) hasta como maximo en torno a 20° en contra de la direccion de flujo (40), mas preferentemente porque la pared deflectora (46) esta inclinada al menos por zonas respecto a la normal (58) de la zona de sellado (42) con un angulo de como maximo en torno a 2° en la direccion de flujo (40) hasta como maximo en torno a 10° en contra de la direccion de flujo (40), aun mas preferentemente porque la pared deflectora (46) esta inclinada al menos por zonas respecto a la zona de sellado (42) en angulo recto.
  3. 3. Dispositivo de valvula (22) segun al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque una pared llmite del canal de flujo (38) presenta aguas arriba de y cerca de la pared deflectora (46) una redondez (60) o un chaflan (62).
  4. 4. Dispositivo de valvula (22) segun la reivindicacion 3, caracterizado porque una pared llmite (61) del canal de flujo (38) presenta, directamente aguas arriba de la redondez (60), un angulo (W3) respecto a un eje longitudinal (29) del canal de flujo (38) de como maximo +/- 15° grados.
  5. 5. Dispositivo de valvula (22) segun al menos una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque en una pared llmite del canal de flujo (38) aguas arriba de y cerca de la pared deflectora (46) y/o en la pared deflectora (46) hay un destalonado (56, 66).
  6. 6. Dispositivo de valvula (22) segun una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el cuerpo de valvula (36) esta configurado en forma de placa, cillndrica, esferica o conica o se trata de una valvula biconica.
  7. 7. Dispositivo de valvula (22) segun una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la carcasa (30) en la zona de la pared deflectora (46) es multiseccional.
  8. 8. Valvula para el control del volumen de un sistema de combustible de un motor de combustion interna, caracterizada porque comprende un dispositivo de valvula (22) segun al menos una de las anteriores reivindicaciones.
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