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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, bei denen vorzugsweise eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.
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Aus der
DE 103 60 330 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das insbesondere für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen dient. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst eine Ventilnadel, die mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammen wirkt, und einen mit der Ventilnadel verbundenen Anker, der von einer Rückstellfeder in einer Schließrichtung beaufschlagt ist und der mit einer Magnetspule zusammen wirkt. Der Anker ist in einer Ausnehmung eines Außenpols des Magnetkreises angeordnet und weist einen Bund auf, welcher umfänglich an dem Anker ausgebildet ist. Der Bund weist einen dreieckigen Querschnitt auf. Durch die Form des Bundes ist eine richtungsabhängige hydraulische Bedämpfung des Ankers möglich. Hierbei ergibt sich eine Bedämpfung der Öffnungsbewegung. In der Schließbewegung ergibt sich hingegen ein nahezu unbehinderter Zufluss von Kraftstoff, so dass der Anker möglichst wenig am Innenpol klebt und das Brennstoffeinspritzventil schnell geschlossen werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann bei einer Ausgestaltung mit einem Ankerfreiweg eine verbesserte Mehrfacheinspritzfähigkeit bei kurzen Pausenzeiten erreicht werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Bei dem Ventil zum Zumessen des Fluids ist der als Magnetanker dienende Anker nicht fest mit der Ventilnadel verbunden, sondern zwischen Anschlägen fliegend gelagert. Solche Anschläge können durch Anschlaghülsen und/oder Anschlagringe realisiert werden. Über eine Rückstellfeder wird der Anker im Ruhezustand an einen bezüglich der Ventilnadel ortsfesten Anschlag verstellt, so dass der Anker dort anliegt. Bei der Ansteuerung des Ventils steht dann der komplette Ankerfreiweg als Beschleunigungsstrecke zur Verfügung.
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Hierdurch ergibt sich gegenüber einer festen Verbindung des Ankers mit der Ventilnadel der Vorteil, dass durch den entstehenden Impuls des Ankers beim Öffnen bei gleicher Magnetkraft die Ventilnadel auch bei höheren Drücken, insbesondere Brennstoffdrücken, sicher geöffnet werden kann. Dies kann als dynamische mechanische Verstärkung bezeichnet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Entkopplung der beteiligten Massen erfolgt, so dass die resultierenden Anschlagkräfte am Dichtsitz auf zwei Impulse aufgeteilt werden.
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Allerdings ergeben sich spezifische Probleme, die mit der fliegenden Lagerung des Ankers an der Ventilnadel verbunden sind. Beim Schließen des Ventils ergibt sich das Problem, dass der Anker nach dem Auftreffen auf den diesbezüglichen Anschlag konstruktionsbedingt wieder zurückprellen kann, so dass es im Extremfall vorkommen kann, dass der komplette Ankerfreiweg noch einmal durchlaufen wird und der Anker beim darauffolgenden Anschlagen an dem gegenüberliegenden Anschlag noch so viel Energie besitzt, dass die Ventilnadel noch einmal kurzzeitig aus ihrem Sitz gehoben wird. Hierdurch kann eine ungewollte Nacheinspritzung auftreten, die einen erhöhten Verbrauch und gegebenenfalls erhöhte Schadstoffemissionen zur Folge hat. Auch wenn der Anker beim Zurückprellen nicht den kompletten Ankerfreiweg durchläuft, dann kann er doch einige Zeit benötigen, bis er sich wieder beruhigt und in die Ausgangsstellung gelangt. Erfolg nun vor der endgültigen Beruhigung eine erneute Ansteuerung, was insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen mit kurzen Pausenzeiten zwischen mehreren Einspritzungen von Bedeutung ist, dann ergibt sich keine robuste Ventilfunktion. Es kann beispielsweise sein, dass sich die Anschlagimpulse entsprechend vergrößern oder verringern, was im ungünstigsten Fall zur Folge haben kann, dass das Ventil gar nicht mehr öffnet, da der Anschlagimpuls hierfür nicht mehr ausreichend groß ist.
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Durch das Drosselelement kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein Ankerprellen verhindert oder zumindest reduziert ist. Hierdurch kann eine robustere Mehrfacheinspritzfähigkeit bei kurzen Pausenzeiten erzielt werden. Außerdem können geringere Anschlagimpulse beim Schließen erreicht werden, was den Verschleiß am Anker und den Anschlägen sowie dem Ventilsitz verringert. Dadurch ergeben sich auch geringere Funktionsänderungen über die Lebensdauer des Ventils. Des weiteren kann eine Geräuschreduzierung erzielt werden.
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Je nach Ausgestaltung des Ventils können somit ein oder mehrere der folgenden Vorteile realisiert werden. Es kann eine verbesserte Dämpfung während der gesamten Flugphase des Ankers erreicht werden, was sich auf den Nadelhub und den Ankerfreiweg beziehen kann. Hierdurch ergibt sich ein reduzierter Anschlagimpuls beim Schließen des Ventils, wenn der Ventilschließkörper auf die Ventilsitzfläche auftrifft. Außerdem kann eine geringe Rückprellhöhe erzielt werden, was ein Ankerprellen vermeidet. Insbesondere können dadurch ungewollte Nacheinspritzungen verhindert werden. Des weiteren kann eine schnellere Beruhigung des Ankers erzielt werden, was ein verbessertes Verhalten bei Mehrfacheinspritzungen ermöglicht.
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Der Ventilschließkörper, der von der Ventilnadel betätigt wird, kann einstückig mit der Ventilnadel ausgebildet sein. Der Ventilschließkörper kann als kugelförmiger Ventilschließkörper oder auch auf andere Weise ausgestaltet sein.
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Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass eine formschlüssige Verbindung des Drosselelements mit dem Anker realisiert werden kann. Über das gewählte Drosselelement kann dann die Strömung um den Anker gezielt beeinflusst werden. In entsprechender Weise kann gemäß Anspruch 3 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Drosselelement und dem Gehäuseteil realisiert werden. Durch die Wahl des Drosselelements ist hier ebenfalls eine günstige Beeinflussung der Umströmung des Ankers möglich. Die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 hat neben einer robusten Ausgestaltung auch den Vorteil, dass sich eine gleichmäßige Umströmung des Ankers realisieren lässt.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, dass in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall eine ausreichend robuste und gegebenenfalls preisgünstige Ausgestaltung möglich ist. Speziell kann die Herstellung des Ankers kostengünstig und weitgehend unabhängig von dem Drosselelement erfolgen, wenn das Drosselelement hierbei als separater Ring, insbesondere Kolbenring, ausgestaltet ist. Über die Wahl des Drosselelements ist dann eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall möglich ist. Dadurch ergeben sich verbesserte Eigenschaften bei geringen Gesamtkosten.
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Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, dass eine verschleiß- und geräuschoptimierte Dämpfung möglich ist.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, dass die dämpfende Wirkung besonders groß vorgegeben werden kann und die Dämpfung gegebenenfalls durch eine entsprechend große Reibkraft verstärkt ist.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 hat den Vorteil, dass eine große dämpfende Wirkung erzielt werden kann, die zudem richtungsabhängig kontrolliert ist, da die elastische Membran je nach Bewegungsrichtung sperrend oder öffnend wirken kann. Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 9 kann hierbei eine besonders große Dämpfung erzielt werden, indem entgegen der Öffnungsrichtung ein Sperren der Umfließung des Ankers realisiert wird. Über die Ausgestaltung der durchgehenden Drosselbohrungen des Ankers ist hierbei eine Abstimmung des gedrosselten Durchflusses und somit der Dämpfung möglich.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, dass in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere gewünschte Mehrfacheinspritzungen, eine Abstimmung möglich ist, die eine robuste Funktionsweise ermöglicht.
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Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Ventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 den in 2 dargestellten Ausschnitt des Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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4 den in 2 dargestellten Ausschnitt des Ventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ventil 1 zum Zumessen eines Fluids in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Ventil 1 kann insbesondere als Brennstoffeinspritzventil 1 ausgebildet sein. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist eine Brennstoffeinspritzanlage, bei der solche Brennstoffeinspritzventile 1 als Hochdruckeinspritzventile 1 ausgebildet sind und zur direkten Einspritzung von Brennstoff in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine dienen. Als Brennstoff können hierbei flüssige oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz kommen.
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Das Ventil 1 weist einen Aktuator 2 auf, der eine Magnetspule 3 und einen Anker 4 umfasst. Durch Bestromen der Magnetspule 3 wird ein Magnetkreis geschlossen, wodurch eine Betätigung des Ankers 4 erfolgt. Über den Anker 4 ist hierbei wiederum eine Betätigung einer Ventilnadel 5 möglich, die sich durch einen Düsenkörper 6 erstreckt und entlang einer Längsachse 7 des Düsenkörpers 6 geführt ist. Die Zusammenwirkung des Ankers 4 mit der Ventilnadel 5 erfolgt hierbei so, dass zwischen Anschlägen 8, 9 eine Relativbewegung des Ankers 4 zu der Ventilnadel 5 ermöglicht ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Anschlag 8 an einem Bund 10 der Ventilnadel 5 ausgebildet. Der Anschlag 9 ist an einem Anschlagring 11 ausgebildet, der auf der Ventilnadel 5 sitzt. Der in diesem Ausführungsbeispiel zum Öffnen des Ventils 1 relevante Anschlag 8 ist ortsfest bezüglich der Ventilnadel 5 realisiert.
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Das Ventil 1 weist einen Ventilschließkörper 12 auf, der von der Ventilnadel 5 betätigbar ist. Der Ventilschließkörper 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel als kugelförmiger Ventilschließkörper 12 ausgebildet. Ferner weist das Ventil 1 einen Ventilsitzkörper 13 auf, an dem eine Ventilsitzfläche 14 ausgebildet ist. Zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 14 ist ein Dichtsitz gebildet.
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Über eine Ventilfeder 15 wird die Ventilnadel 5 entgegen einer Öffnungsrichtung 16 beaufschlagt. Ferner ist eine an dem Anschlagring 11 abgestützte Rückstellfeder 17 vorgesehen, die auf eine mit dem Anker 4 verbundene Ankerhülse 18 einwirkt, um den Anker 4 in eine Ausgangsstellung zu verstellen, in der der Anker 4 an dem Anschlag 9 anliegt, wenn die Magnetspule 3 unbestromt ist.
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In der Ausgangsstellung ergibt sich dadurch zwischen dem Anker 4 und dem Anschlag 8 am Bund 10 ein gewisser Abstand 19, der einen Ankerfreiweg 19 ermöglicht.
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Zur Betätigung des Ventils 1 wird die Magnetspule 3 bestromt. Hierbei wird über ein Gehäuseteil 20, den Düsenkörper 6, den Anker 4 und einen Polkörper 21 der Magnetkreis geschlossen, wodurch der Anker 4 in Richtung auf den Polkörper 21 verstellt wird. Bevor der Dichtsitz zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 14 geöffnet wird, durchläuft der Anker 4 erst den Ankerfreiweg 19. Dies ermöglicht eine dynamische Verstärkung, was eine größere mechanische Öffnungskraft zur Folge hat, wenn der Anker 4 an dem bezüglich der Ventilnadel 5 ortsfesten Anschlag 8 anschlägt und die Ventilnadel 5 hierbei betätigt. Der Anker 4 wird zum Öffnen des Ventils 1 daher in der Öffnungsrichtung 16 verstellt.
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Beim Schließen des Ventils 1 wird der Anker 4 entgegen der Öffnungsrichtung 16 verstellt. Hierbei durchläuft der Anker 4 nach dem Schließen des Dichtsitzes noch den Ankerfreiweg 19 in umgekehrter Richtung, also entgegen der Öffnungsrichtung 16. Zumindest bei dieser Bewegung des Ankers 5 erfolgt eine Bedämpfung der Bewegung. Hierdurch wird verhindert, dass der Anker 4 beim Anprallen an den Anschlagring 11 zurückprallt und den Ankerfreiweg 19 erneut in der Öffnungsrichtung 16 durchläuft.
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Zum Bedämpfen der Bewegung des Ankers 4 ist ein Drosselelement 30 vorgesehen. Die Ausgestaltung des Ventils 1 mit dem Drosselelement 30 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist im Folgenden anhand der 2 weiter beschrieben. Abgewandelte Ausgestaltungen sind anhand der 3 und 4 beschrieben.
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2 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Ventils 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Düsenkörper 6 weist eine Innenwand 31 auf. Der Düsenkörper 6 ist hierbei eine mögliche Ausführung für ein Gehäuseteil 6, an dem die Innenwand 31 ausgebildet ist. Der Anker 4 befindet sich im Bereich der Innenwand 31 und ist an der Ventilnadel 5 bewegbar angeordnet. Der Anker 4 weist hierfür eine Durchgangsbohrung 32 auf, durch die sich die Ventilnadel 5 erstreckt. Außerdem weist der Anker 4 mehrere durchgehende Drosselbohrungen 33, 34 auf, wobei eine geeignete Anzahl an Drosselbohrungen 33, 34 beispielsweise umfänglich verteilt um die Längsachse 7 in dem Anker 4 ausgestaltet sein kann.
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Zwischen der Innenwand 31 des Düsenkörpers 6 und einer Außenseite 35 des Ankers 4 ist ein Ringspalt 36 ausgebildet. Über den Ringspalt 36 wird bei einer Bewegung des Ankers 4 ein Durchfluss Q1 ermöglicht. Entsprechend wird über die Drosselbohrungen 33, 34 ein Durchfluss Q2 durch den Anker 4 ermöglicht.
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Das Drosselelement 30 bedingt eine Verengung 37 beziehungsweise Engstelle 37 in dem Ringspalt 36, wodurch der Durchfluss Q1 gedrosselt ist. Ferner sind die Durchgangsbohrungen 32 so ausgestaltet, dass der Durchfluss Q2 gedrosselt ist. Die Bewegung des Ankers 4 ist hierdurch bedämpft. Insbesondere ist eine Bewegung des Ankers 4 entgegen der Öffnungsrichtung 16 bedämpft. Eine stärkere Bedämpfung in einer Vorzugsrichtung, also entgegen der Öffnungsrichtung 16, ist durch eine geeignete Ausgestaltung realisierbar, wie es beispielsweise anhand der 4 beschrieben ist. Somit kann eine Anpassung in Bezug auf eine gegebenenfalls gewünschte einseitige Wirkrichtung erfolgen.
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Das Drosselelement 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kolbenring 30 ausgebildet, der beispielsweise aus Kunststoff oder Metall sein kann. Hierbei ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Außenseite 35 des Ankers 4 eine ringförmige Vertiefung 38 ausgestaltet, in die das Drosselelement 30 eingesetzt ist. Eine Außenseite 39 des Drosselelements 30 ist hierbei von der Innenwand 31 des Düsenkörpers 6 beabstandet. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann das Drosselelement 30 mit seiner Außenseite 39 auch an der Innenwand 31 anliegen, so dass eine reibende Relativbewegung bei einer Bewegung des Ankers 4 auftritt. Die dadurch bei der Betätigung erzeugte Reibkraft führt ebenfalls zu einer Bedämpfung der Bewegung des Ankers 4.
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Somit kann in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall entweder eine weitgehend reibungsfreie Relativbewegung zwischen dem Anker 4 und dem Düsenkörper 6 über das Drosselelement 30 oder auch eine reibende Relativbewegung mittels des Drosselelements 30 realisiert sein. Über die Anzahl und Ausgestaltung der Drosselbohrungen 33, 34 ist hierbei eine hydraulische Abstimmung möglich.
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Es ist anzumerken, dass das Medium, welches sich im Bereich des Ankers 4 innerhalb des Gehäuseteils 6 befindet und das über den Ringspalt 36 und die Drosselbohrungen 33, 34 geführt wird, nicht notwendigerweise gleich dem einzuspritzenden Fluid ist. Je nach Anwendungsfall ist es prinzipiell auch möglich, dass ein geeignetes, separates Hydrauliköl oder dergleichen zum Einsatz kommt. Diese prinzipiell mögliche Ausgestaltet ist durch eine geeignete konstruktive Abwandlung von der gezeigten Ausführung, bei der eine Durchströmung des Bereichs des Ankers 4 mit einem Brennstoff erfolgt, möglich.
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Bei der Bewegung des Ankers 4 in und entgegen der Öffnungsrichtung 16 kann insbesondere ein Umpumpen des diesbezüglichen Fluids beziehungsweise Mediums entsprechend den Durchflüssen Q1, Q2 erfolgen. Somit ist die über die gewählte Dimensionierung einstellbare hydraulische Dämpfung möglich. Die Bewegung des Ankers 4 kann hierdurch gezielt gedämpft werden, um Aufschlagimpulse, wie sie beim Aufschlagen des Ventilschließkörpers 12 an der Ventilsitzfläche 14 und/ oder des Ankers 4 an seinen Anschlägen 8, 9 auftreten können, zu reduzieren und den Anker 4 nach dem Ansteuern schneller in seine Ausgangsstellung (Ruhelage) zu bringen.
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3 zeigt den in 2 dargestellten Ausschnitt des Ventils 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist an der Innenwand 31 des Düsenkörpers 6 eine ringförmige Vertiefung 40 ausgestaltet, in die das als Kolbenring 30 ausgebildete Drosselelement 30 eingesetzt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich somit die Verengung 37 des Ringspalts 36 zwischen einer Innenseite 41 des Drosselelements 30 und der Außenseite 35 des Ankers 4. Hierdurch ist eine reibungsfreie Relativbewegung zwischen dem Drosselelement 30 und der Außenseite 35 des Ankers 4 möglich.
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Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann die Innenseite 41 des Drosselelements 30 auch bis an die Außenseite 35 des Ankers 4 geführt sein, um eine reibbehaftete Relativbewegung zwischen dem Anker 4 und dem Düsenkörper 6 mittels des Drosselelements 30 zu erzielen. Über die bei einer Betätigung des Ankers 4 entstehende Reibkraft kann dann eine zusätzliche Dämpfung erzielt werden.
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4 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Ventils 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Drosselelement 30 als elastisch verformbare Membran 30 ausgebildet. Die Membran 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Anker 4 verbunden. Hierfür kann das Drosselelement 30 beispielsweise in eine Vertiefung 38 an der Außenseite 35 des Ankers 4 eingesetzt sein. Es sind allerdings auch andere Verbindungsmöglichkeiten denkbar. Ferner kann das Drosselelement 30, das als Membran 30 ausgebildet ist, bei einer abgewandelten Ausgestaltung auch mit dem Düsenkörper 6 verbunden sein.
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In diesem Ausführungsbeispiel wirkt das Drosselelement 30 in einer Strömungsrichtung 42 weniger stark drosselnd als entgegen der Strömungsrichtung 42. Denn wenn die Strömung in der Strömungsrichtung 42 erfolgt, dann wird die Membran 30 in Richtung auf die Längsachse 7 radial zusammengedrückt, so dass sich der Durchflussquerschnitt an der Membran 30 vergrößert. Umgekehrt kommt es bei einer Strömung entgegen der Strömungsrichtung 42 zu einem radialen Aufdrücken der Membran 30, wodurch sich der Strömungsquerschnitt verringert oder je nach Ausführung dieser gegebenenfalls auch ganz verschwindet. Der Strömungsrichtung 42 entspricht eine Bewegung des Ankers 4 in der Öffnungsrichtung 16.
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Daher hat das Drosselelement 30 bei dieser Ausgestaltung die Funktionsweise, dass bei einer Bewegung des Ankers 4 in der Öffnungsrichtung 16 ein größerer Durchfluss Q1 durch den Ringspalt 36 ermöglicht ist als bei einer entsprechenden Bewegung des Ankers 4 entgegen der Öffnungsrichtung 16. Dadurch kann die dämpfende Wirkung richtungsabhängig kontrolliert werden, da die elastische Membran 30 je nach Bewegungsrichtung sperrend oder öffnend wirkt. Über den durch die Durchgangsbohrungen 32 richtungsunabhängig ermöglichten Durchflussquerschnitt kann der gedrosselte Durchfluss Q2 entsprechend dem Anwendungsfall abgestimmt werden.
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Bei den Ausgestaltungen des Ventils 1 kann die Vertiefung 38 an dem Anker 4 beziehungsweise die Vertiefung 40 an dem Gehäuseteil 6 in Form einer ringförmig umlaufenden Nut 40 ausgestaltet sein. Es sind allerdings auch andere Ausgestaltungen denkbar. Ferner sind auch andere Möglichkeiten der Verbindung des Drosselelements 30 mit dem Anker 4 beziehungsweise dem Gehäuseteil 6 möglich. Des weiteren ist die Ausgestaltung des Ventils auch mit zwei oder mehr Drosselelementen 30 denkbar, die in dem Ringspalt 36 angeordnet sind, um eine Drosselung des Durchflusses Q1 zu erzielen. Ferner können je nach Anwendungsfall die Drosselbohrungen 33, 34 in dem Anker 4 gegebenenfalls auch entfallen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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