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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, das insbesondere als Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen dient. 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 45 967 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst eine Magnetspule und einen durch die Magnetspule in eine Hubrichtung gegen eine Rückstellfeder beaufschlagbaren Anker. Der Anker ist zwischen einem mit der Ventilnadel verbundenen, die Bewegung des Ankers in der Hubrichtung begrenzenden ersten Flansch und einem mit der Ventilnadel verbundenen zweiten Flansch beweglich an der Ventilnadel angeordnet. Zwischen dem Anker und dem zweiten Flansch ist eine Feder vorgesehen, durch welche der Anker in einem Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils so beaufschlagt ist, dass er von einer Anschlagfläche des zweiten Flansches unter Bildung eines Ankerfreiwegs beabstandet ist. Hierbei ist bereits erkannt worden, dass der Einsatz einer als Spiralfeder ausgebildeten Feder anstelle einer Tellerfeder vorteilhaft ist, da eine Tellerfeder den Ausgleich des zwischen Anker, Ankeranschlag und Feder befindlichen Brennstoffs behindert, wodurch es zu Stauungen und einem unkontrollierten Hydraulikverhalten des Brennstoffs im Bereich des Ankers kommen 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 das dynamische Verhalten beim Öffnen und Schließen des Ventils verbessert werden. Speziell können unerwünschte hydraulische Effekte, wie ein hydraulisches Kleben, und/oder unerwünschte mechanische Effekte, wie ein Ankerprellen, vermieden oder zumindest reduziert 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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Der Anker ist vorzugsweise in einem Innenraum des Ventils angeordnet, der zumindest im Betrieb mit einem flüssigen Fluid gefüllt ist. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei diesem flüssigen Fluid um das Fluid, das von dem Ventil zugemessen wird. Bei einer Ausgestaltung des Ventils als Brennstoffeinspritzventil kann es sich somit um einen flüssigen Brennstoff handeln.
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Wenn bei solch einer Ausgestaltung im Ausgangszustand oder auch während eines Betätigungszykluses eine ebene Stirnseite des Ankers mit einer ebenen Anschlagfläche plan zur Anlage kommt, wie es bei einer herkömmlichen Ausgestaltung der Fall ist, dann kommt es aufgrund des hydraulischen Mediums, also des flüssigen Fluids, beim Lösen des Ankers von der Anschlagfläche zu einem hydraulischen Klebeeffekt. Dieser ist insbesondere dadurch verursacht, dass das flüssige Fluid zunächst in den entstehenden schmalen Spalt einströmen muss. Umgekehrt kommt es bei einer herkömmlichen Ausgestaltung bei der Annäherung des Ankers an die Anschlagfläche zu einer hydraulischen Dämpfung, da das flüssige Fluid aus dem immer enger werdenden Spalt verdrängt werden muss. Bei einem Betätigungszyklus treten diese beiden Effekte wechselweise an den jeweiligen Anschlagflächen auf. Hierdurch ergibt sich eine dämpfende Wirkung und insbesondere eine Verzögerung bezüglich der Dynamik bei der Ansteuerung des Ventils. Andererseits wird bei der herkömmlichen Ausgestaltung beim Schließen auf diese Weise ein Ankerprellen reduziert.
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Bei dem vorgeschlagenen Ventil, das gegebenenfalls entsprechend weitergebildet ist, können die Überdeckung eines oder mehrerer Durchgangskanäle des Ankers und eine Steifigkeit des einen oder der beiden Anschläge für den Anker so optimiert werden, dass eine optimale Kombination aus hydraulischer Dämpfung beim Schließen des Ventils und einem vorzugsweise geringen hydraulischen Kleben des Ankers an der diesbezüglichen Anschlagfläche beim Öffnen in Bezug auf die jeweilige Ausgestaltung des Ventils erzielt ist.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 2 hat den Vorteil, dass zum einen ein vorteilhafter Durchfluss durch die Durchgangskanäle ermöglicht ist und zum anderen ein Fluidaustausch zwischen dem Zwischenraum und dem Innenraum in vorteilhafter Weise gewährleistet ist. Dadurch kann insbesondere bei einem Betriebszustand, in dem sich der Anker von der Anschlagfläche löst, ein hydraulischer Klebeeffekt so eingestellt werden, dass dieser ausreichend klein ist. Hierbei wird dieser Vorgang insbesondere durch ein Nachströmen von Fluid aus dem Innenraum in den Durchgangskanal im Bereich seiner Öffnung erleichtert. Zum anderen kann dennoch ein vorteilhafter Druckaufbau im Zwischenraum erfolgen, wenn der Anker an die Anschlagfläche anschlägt und es zur elastischen Verformung des Anschlagelements kommt.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht in vorteilhafter Weise einen Fluidaustausch zwischen dem Zwischenraum und dem Innenraum von innen nach außen oder von außen nach innen über den Durchgangskanal sowie die äußere Teilfläche, die außerhalb des Randes gebildet ist, wenn sich der Anker und die Anschlagfläche an der Projektionsebene berühren.
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Die Anschlagfläche weist einen äußeren Rand auf, der einmal um die Längsachse der Ventilnadel läuft. Prinzipiell kann an dem Anschlagelement, an dem die Anschlagfläche ausgebildet ist, auch eine Durchgangsöffnung, insbesondere Durchgangsbohrung, ausgestaltet sein, wodurch ein innerhalb der Anschlagfläche liegender Rand, insbesondere ein kreisförmiger Rand, gebildet sein kann. Je nach Anordnung, Ausgestaltung und Anzahl der Durchgangskanäle kann die Anschlagfläche geeignet ausgestaltet sein, um einen Durchfluss des Fluids bezüglich der einzelnen Durchgangskanäle zu ermöglichen. Beispielsweise können mehrere Durchgangskanäle vorgesehen sein, von denen ein Teil näher an der Längsachse der Ventilnadel und ein anderer Teil weiter entfernt von der Längsachse der Ventilnadel angeordnet ist. Wenn die betreffende Anschlagfläche entsprechend groß ausgestaltet werden soll, dann kann die vorgeschlagene Lösung sowohl für die weiter innen liegenden als auch für die weiter außen liegenden Durchgangskanäle realisiert werden. Hierbei können für die weiter innen liegenden Durchgangskanäle insbesondere innen liegende Durchgangsöffnungen mit entsprechenden innen liegenden Rändern realisiert werden, um die Stabilität der Anschlagfläche zu gewährleisten. Die Weiterbildung nach Anspruch 5 hat hierbei den Vorteil, dass die Anordnung des zumindest einen betreffenden Durchgangskanals, insbesondere seine Entfernung von der Längsachse, und die Dimensionierung der Anschlagfläche, insbesondere ein Radius des Randes der Anschlagfläche zur Längsachse, so aufeinander abgestimmt werden können, dass sich die vorgeschlagene Lösung ohne diesbezügliche Durchgangsöffnungen am Anschlagelement, an dem die Anschlagfläche ausgestaltet ist, realisieren lässt.
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Die betreffende Anschlagfläche ist an einem Anschlagelement ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Ausgestaltung entsprechend der Weiterbildung gemäß Anspruch 4. Es versteht sich, dass hierbei auch zwei Anschlagelemente vorgesehen sein können, von denen beispielsweise eines an der Ventilnadel ausgestaltet ist und das andere mit der Ventilnadel verbunden ist, um einen einstückigen Anker mit einer mittigen Durchgangsbohrung auf die Ventilnadel zu fügen und anschließend zwischen den Anschlagelementen in seiner Bewegung zu begrenzen. Aber auch eine Ausgestaltung mit zwei an der Ventilnadel ausgestalteten Anschlagelementen ist möglich, wenn beispielsweise ein segmentierter Anker zum Einsatz kommt. Ferner kann die vorgeschlagene Ausgestaltung der Anschlagfläche nur an einer der Anschlagflächen, an beiden Anschlagflächen auf gleiche Weise oder an beiden Anschlagflächen auf unterschiedliche Weise realisiert sein. Hierdurch sind Anpassungen an den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere die gewünschte Ventildynamik und das geforderte Prellverhalten beim Schließen des Ventils, möglich. Insbesondere kann zum Erzielen einer gewünschten Mehrfacheinspritzfähigkeit, für die mehrere Einspritzungen während eines Einspritzzykluses realisierbar sein müssen, eine weitgehende Prellvermeidung notwendig sein.
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Mit der vorgeschlagenen Ausbildung des Ventils kann ein Dämpfungsverhalten bei der Bewegungsbegrenzung verstärkt werden. Hierbei kann beim Anschlagen des Ankers an das Anschlagelement ein Überdruck im Zwischenraum beziehungsweise beim Rückprellen des Ankers ein Unterdruck im Zwischenraum erzeugt werden, wodurch sich eine besonders wirksame Reduzierung eines möglichen Prellens des Ankers ergibt. Insbesondere kann hierdurch eine schnelle Beruhigung des Ankers bezüglich seiner Ausgangsstellung bei geschlossenem Ventil erzielt werden, um eine Mehrfacheinspritzfähigkeit auch bei kurzen Pausenzeiten zwischen den einzelnen Einspritzungen in einem Einspritzzyklus zu erzielen.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 6 hat den Vorteil, dass der Zwischenraum durch eine im Profil betrachtete Anschrägung an dem Anschlagelement realisiert werden kann. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist hierbei nach Anspruch 7 möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, die im Anspruch 8 angegeben ist, kann der Zwischenraum zumindest teilweise über die Höhe einer Stufe zwischen der Anschlagfläche und einer vorzugsweise teilringförmigen Fläche an dem Anschlagelement hinsichtlich seines Volumens eingestellt werden. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die den Zwischenraum begrenzende Fläche des Anschlagelements und die Anschlagfläche parallel zueinander ausgestaltet sind und beide senkrecht zu der Längsachse orientiert sind, wobei sich die Stufe zwischen der Fläche und der Anschlagfläche befindet und ein angeschrägter Bereich oder dergleichen somit entfällt. Diese Ausgestaltung hat unter anderen den Vorteil, dass eine gute Messbarkeit der Parallelität der Anschlagfläche zu der vorzugsweise kreisringförmigen Fläche, die den Zwischenraum begrenzt, ermöglicht ist. Im Rahmen einer Serienfertigung ist dadurch eine Prozesseinstellung, Prozessüberwachung und gegebenenfalls Qualitätskontrolle möglich. Insbesondere kann in einer Serienfertigung als Toleranzvorgabe vorgegeben sein, dass eine geringfügige Konizität zulässig. Eine geringfügige Konizität kann dadurch definiert sein, dass im Hinblick auf den ausgebildeten Drosselspalt zwischen dem Anlagebereich und der dem Anschlagelement zugewandten Stirnfläche des Ankers eine ausreichende Drosselwirkung gewährleistet ist, wenn sich der Anker und die Anschlagfläche im Betrieb berühren, so dass es beim Anschlagen des Ankers an die Anschlagfläche unmittelbar zum Aufbau eines ausreichend großen Drucks im Zwischenraum kommt, um die vorgeschlagene hydraulische Dämpfung zu realisieren.
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Speziell durch die Ausgestaltung der den Zwischenraum begrenzenden Fläche als kreisringförmige Fläche kann eine Weiterbildung nach Anspruch 9 realisiert werden.
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Eine Weiterbildung nach Anspruch 10 kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die der Anschlagfläche zugewandte Stirnseite des Ankers eben ausgestaltet und so orientiert ist, dass die Längsachse der Ventilnadel die Stirnseite des Ankers senkrecht durchstößt. Dies ist in Kombination mit einer ebenen und senkrecht zu der Längsachse orientierten Anschlagfläche realisierbar.
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Eine Weiterbildung nach Anspruch 10 hat den Vorteil, dass zum einen gegebenenfalls eine Drosselwirkung bezüglich der inneren Teilfläche realisiert sein kann, während zum anderen ein Durchfluss durch den Durchgangskanal, der zum Beschleunigen des Ankers in der Regel erforderlich ist, durch eine entsprechend große äußere Teilfläche gerade beim Lösen des Ankers von der Anschlagfläche nicht zu stark gedrosselt wird. Speziell können die innere Teilfläche und der Anlagebereich zur Abstimmung des dynamischen Verhaltens und/oder zur Prellvermeidung durch Erzeugung einer entsprechenden hydraulischen Drosselwirkung gegebenenfalls auch klein gewählt werden, während eine möglichst große äußere Teilfläche den Durchfluss des Ankers in gewünschter Weise ermöglicht.
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Kurze Beschreibung 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 Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine auszugsweise, schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausgestaltung des in 1 gezeigten Ventils in einer auseinandergezogenen oder Explosionsdarstellung;
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3 ein Detail des in 1 gezeigten Ventils und
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4 das in 3 gezeigte Detail des Ventils entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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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 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 ein mehrteiliges Ventilgehäuse 2, einen elektromagnetischen Aktuator 3, der eine Magnetspule 4, einen Innenpol 5 und einen Anker 6 umfasst, und eine von dem elektromagnetischen Aktuator 3 betätigbare Ventilnadel 7 auf, die im Betrieb einen mit der Ventilnadel 7 verbundenen Ventilschließkörper 8 betätigt, um einen zwischen dem Ventilschließkörper 8 und einer Ventilsitzfläche 9 gebildeten Dichtsitz zu öffnen. Hierbei wird Brennstoff über eine axiale Bohrung 10 des Innenpols 5 in einen Innenraum 11 des Ventilgehäuses 2 und aus dem Innenraum 11 über einen Ringstalt 12 zu dem Dichtsitz geführt, so dass bei geöffnetem Dichtsitz Brennstoff über Düsenöffnungen in einen Raum 13, insbesondere einen Brennraum 13, eingespritzt werden kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das Ventil 1 als innen öffnendes Ventil 1 ausgestaltet, wobei zum Öffnen des Ventils 1 die Ventilnadel 7 in einer Öffnungsrichtung 14 entlang einer Längsachse 15 verstellt wird.
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Der Anker 6 des Aktuators 3 ist fliegend an der Ventilnadel 7 gelagert, so dass eine Bewegung des Ankers 6 entlang der Längsachse 15 in und entgegen der Öffnungsrichtung 14 möglich ist. Diese Bewegung ist bezüglich der Ventilnadel 7 durch Anschlagelemente 16, 17 begrenzt. Die Anschlagelemente 16, 17 können hierbei jeweils mit der Ventilnadel 7 verbunden oder an der Ventilnadel 7 ausgestaltet sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Anschlagelement 16 als Anschlaghülse 16 ausgebildet, die fest mit der Ventilnadel 7 verbunden ist. Ferner ist das Anschlagelement 17 in diesem Ausführungsbeispiel als Anschlagring 17 ausgebildet, der ebenfalls fest mit der Ventilnadel 7 verbunden ist. Solche festen Verbindungen können zum Beispiel durch Schweißen realisiert sein. An den Anschlagelementen 16, 17 sind Anschlagflächen 18, 19 ausgebildet, die einander zugewandt sind und zwischen denen der Anker 6 entsprechend einem vorgegebenen Ankerfreiweg 20 verstellbar ist.
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Ferner ist eine Rückstellfeder 21 vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel mittels des Anschlagelements 17 die Ventilnadel 7 entgegen der Öffnungsrichtung 14 beaufschlagt, um die Ventilnadel 7 in ihre Ausgangsstellung, bei der der Dichtsitz geschlossen ist, zu verstellen. Des weiteren ist eine Feder 22 vorgesehen, die den Anker 6 in seine Ausgangsstellung beaufschlagt, in der der Anker 6 mit seiner Stirnfläche 23 an der Anschlagfläche 18 anliegt. In dieser Ausgangsstellung ergibt sich der Ankerfreiweg 20 zwischen der Stirnfläche 24 des Ankers 6, die von der Stirnfläche 23 abgewandt ist, und der Anschlagfläche 19.
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Bei einer Betätigung des Ventils 1 wird die Magnetspule 4 bestromt, so dass der Anker 6 in der Öffnungsrichtung 14 aufgrund der wirkenden Magnetkraft beschleunigt wird. Hierbei bleibt die Ventilnadel 7 in ihrer Ausgangsstellung, bis der Anker 6 mit seiner Stirnfläche 24 an der Anschlagfläche 19 des Anschlagelements 17 anschlägt. Die Beschleunigung des Ankers 6 ermöglicht hierbei einen größeren Öffnungsimpuls zum Verstellen der Ventilnadel 7. Die Bewegung des Ankers 6 wird dann durch Anschlagen an dem Innenpol 5 relativ zu dem Ventilgehäuse 2 begrenzt. Dabei kann es noch zu einem gewissen Durchschwingen der Ventilnadel 7 kommen.
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Zum Schließen des Ventils 1 wird die Magnetspule 4 stromlos geschaltet, so dass über die Rückstellfeder 21 eine Rückstellung der Ventilnadel 7 entgegen der Öffnungsrichtung 14 erfolgt, wobei mittels des Anschlagelements 17 der Anker 6 mitgenommen wird. Wenn der Ventilschließkörper 8 in seinen Sitz fällt, dann erfolgt die weitere Rückstellung des Ankers 6 in die in der 1 dargestellte Ausgangslage, wobei die Feder 22 die Ausgangsposition gewährleistet.
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Der Innenraum 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit flüssigem Brennstoff gefüllt. Hierbei ermöglichen in dem Anker 6 ausgebildete Durchgangskanäle 30 bis 35 eine Durchleitung von Brennstoff aus der Bohrung 10 in Richtung zu dem Ringspalt 12. Ferner kann Brennstoff auch zwischen dem Anker 6 und dem Ventilgehäuse 2 an dem Anker 6 vorbeiströmen.
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Bei einem Betätigungsvorgang wird der flüssige Brennstoff zunächst zwischen der Stirnfläche 24 des Ankers 6 und der Anschlagfläche 19 des Anschlagelements 7 verdrängt. Anschließend muss ein Lösen des Ankers 6 mit seiner Stirnfläche 24 von der Anschlagfläche 19 des Anschlagelements 17 erfolgen. Des weiteren kommt es beim Schließen des Ventils 1 zu einer Verdrängung des flüssigen Brennstoffs zwischen der Anschlagfläche 18 des Anschlagelements 16 und der Stirnfläche 23 des Ankers 6. Besonders wesentlich ist auch zu Beginn des Betätigungsvorgangs das Lösen des Ankers 6 von dem Anschlagelement 16, bei dem flüssiger Brennstoff zwischen die Stirnfläche 23 des Ankers 6 und die Anschlagfläche 18 des Anschlagelements 16 einströmen muss. Um ein vorteilhaftes hydraulisches Verhalten zu gewährleisten, wird eine besondere Ausgestaltung an der Anschlagfläche 18 des Anschlagelements 16 und/oder der Anschlagfläche 19 des Anschlagelements 17 vorgeschlagen. Hierbei versteht es sich, dass die nachfolgend anhand des Anschlagelements 16 und des Ankers 6 beschriebene Ausgestaltung alternativ oder zusätzlich auch bezüglich des Anschlagelements 17 realisiert sein kann.
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2 zeigt eine auszugsweise, schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausgestaltung des in 1 gezeigten Ventils 1 in einer auseinandergezogenen Darstellung (Explosionsdarstellung). Zur Vereinfachung der Darstellung ist hierbei nur eine Längsachse 15 der Ventilnadel 7 dargestellt, um die Lage der Ventilnadel 7 zu veranschaulichen. Ferner sind Ebenen 39, 40, 41 dargestellt, die jeweils senkrecht von der Längsachse 15 durchstoßen werden. Die Ebenen 39 bis 41 sind hierbei jeweils durch einen tortenförmigen Ausschnitt eines Kreises, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse 15 liegt, dargestellt. Die Ebene 41 ist hierbei die Projektionsebene, an der sich das Anschlagelement 16 und der Anker 6 bei einer geeigneten Stellung des Ventils 1 berühren. Die Ebene 40 ist dadurch charakterisiert, dass in dieser die Stirnfläche 23 des Ankers 6 liegt. Allerdings ist die Ausgestaltung des Ankers 6 nicht notwendigerweise darauf beschränkt, dass die Stirnfläche 23 des Ankers 6 in der Ebene 40 liegt und somit senkrecht von der Längsachse 15 durchstoßen wird. Insbesondere ist es denkbar, dass die Stirnfläche 23 ausgehend von einer ebenen Ausgestaltung auch Vertiefungen oder Erhebungen in einigen Bereichen aufweist.
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Die Ebene 39 ist dadurch charakterisiert, dass in dieser ein Anlagebereich 60 und ein Rand 42 der Anschlagfläche 18 des Anschlagelements 16 liegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rand 42 als kreislinienförmiger Rand 42 ausgebildet, wobei in der 2 ein Kreisliniensegment des Randes 42 dargestellt ist. Die Anschlagfläche 18 ist hier in einem Teil 62, also teilweise, entsprechend der Mantelfläche 62 eines Kegels ausgestaltet. Ferner ist die Anschlagfläche 18 in einem Teil 63, in dem ein Anlagebereich 61 liegt, eben und senkrecht zu der Längsachse 15 orientiert ausgestaltet. Wird beispielsweise eine Mantellinie 43 betrachtet, die in der Mantelfläche 62 von einer Kante 64 geradlinig zu der Längsachse 15 läuft, dann ist diesbezüglich ein nicht verschwindender Neigungswinkel 44 definiert. Dieser Neigungswinkel 44 ergibt sich wie folgt. Die Projektion der Mantellinie 43 parallel zu der Längsachse 15 in die Ebene 39 ist ein Radius 43’. Der Neigungswinkel 44 ergibt sich nun aus dem rechtwinkeligen Dreieck mit der Mantellinie 43 als Hypotenuse und dem Radius 43’ als Ankathete bezüglich dem Neigungswinkel 44. Die Kante 64 ist hier eine kreislinienförmige Kante 64, die den Anlagebereich 60 radial gesehen innen begrenzt.
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Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann der nicht verschwindende Neigungswinkel 44 entlang des Randes 42 auch variieren. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Neigungswinkel 44 entlang des Randes 42 allerdings konstant, da sich die Anschlagfläche 18 teilweise aus der Mantelfläche 62 eines Kegels ergibt.
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Der Rand 42 wird entlang der Längsachse 15, also parallel zu der Längsachse 15, in die Projektionsebene 41 projiziert. Dadurch ergibt sich die Projektion 42’ des Randes 42.
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In diesem Ausführungsbeispiel liegt eine Öffnung 45 des Durchgangskanals 30 in der Ebene 40. Die Öffnung 45 ist in diesem Ausführungsbeispiel als kreisförmige Öffnung 45 ausgestaltet. Die Öffnung 45 ist somit durch eine geschlossene Linie 46, die in diesem Ausführungsbeispiel als Kreislinie 46 ausgebildet ist, begrenzt. Die Öffnung 45 beziehungsweise die Kreislinie 46 sind entlang der Längsachse 15 in die Projektionsebene 41 projiziert. Dadurch ergibt sich in der Projektionsebene 41 eine Projektion 45’ der Öffnung 45 beziehungsweise eine Projektion 46’ der Kreislinie 46.
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Das Ventil 1 ist nun entsprechend der vorgeschlagenen Lösung so ausgestaltet, dass die Projektion 42’ des Randes 42 der Anschlagfläche 18 in die Projektionsebene 41, die von der Längsachse 15 senkrecht durchstoßen wird und an der sich der Anker 6 und die Anschlagfläche 18 im Betrieb berühren, durch die Projektion 45’ der der Anschlagfläche 18 zugewandten Öffnung 45 des Durchgangskanals 30 in die Projektionsebene 41 verläuft. Durch die Projektion 42’ des Randes 42 in die Projektionsebene 41 wird die Projektion 45’ der Öffnung 45 in die Projektionsebene 41 in eine innere Teilfläche 50 und eine äußere Teilfläche 51 aufgeteilt. Ferner liegt eine Projektion 64' der Kante 64 in der Projektionsebene 41 radial betrachtet um die radiale Mindestlänge 75 beabstandet zu der Projektion 46' der Kreislinie 46 beziehungsweise der Projektion 45' der Öffnung 45, wobei die Projektion 64' der Kante 64 näher an der Längsachse 15 liegt als die Projektion 46' beziehungsweise die Projektion 45'.
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Es ist anzumerken, dass eine Projektion in die Projektionsebene 41 stets so zu verstehen ist, dass die Projektion senkrecht in die Projektionsebene 41 erfolgt. Da die Projektionsebene 41 senkrecht von der Längsachse 15 durchstoßen wird, bedeutet dies, dass die Projektionen stets entlang beziehungsweise parallel zu der Längsachse 15 erfolgen. Hierbei versteht sich allerdings auch, dass Toleranzen, ein gewünschtes Spiel zwischen dem Anker 6 und der Ventilnadel 7 und ähnliche toleranz- oder konstruktionsbedingte Einflüsse Abweichungen von einer idealisierten Konstruktion beziehungsweise Projektion bei der konkreten Realisierung des Ventils 1 zur Folge haben können. Beispielsweise kann sich aufgrund solcher Einflüsse, insbesondere aufgrund eines Spiels zwischen dem Anker 6 und der Ventilnadel 7 eine Kurvenschar für die Projektion 46’ der Kreislinie 46 in die Projektionsebene 41 ergeben, die um die idealisierte Projektion 46’ radial etwas zur Längsachse 15 versetzte Kreislinien umfasst. Des weiteren versteht es sich, dass jedenfalls bei einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Anschlagfläche 18 relative Rotationen des Ankers 6 um die Längsachse 15 bezüglich des Anschlagelements 16 als Äquivalent betrachtet werden können. Falls dies im konkreten Einzelfall erforderlich ist, kann gegebenenfalls auch eine Führung des Ankers 6 entlang der Ventilnadel 7 realisiert sein, die solche relativen Drehungen des Ankers 6 begrenzt oder verhindert.
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3 zeigt ein Detail des in 1 gezeigten Ventils 1. Hierbei ist eine Situation dargestellt, wie sie einerseits zum Zeitpunkt des Beginns einer Betätigung des Ventils 1 auftritt, wenn die Magnetspule 4 gerade bestromt wird. Hierbei wird eine Magnetkraft in der Richtung 52 auf den Anker 6 ausgeübt, die den Anker 6 in der Richtung 52 beschleunigt beziehungsweise aus seiner Ausgangslage bewegt. Andererseits kann es sich um den Zeitpunkt eines Anschlagens des Ankers 6 an das Anschlagelement 16 handeln, was weiter unten beschrieben ist.
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In der Ausgangslage fallen die in der 2 veranschaulichten Ebenen 39 bis 41 zusammen, da sich der Anker 6 und die Anschlagfläche 18 berühren.
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Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung der Anschlagfläche 18 ist zwischen dem Teil 62 der Anschlagfläche 18 und der Stirnfläche 23 des Ankers 6 ein Zwischenraum 53 gebildet, der in diesem Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 15 ist. Der Zwischenraum 53 kann hierbei zunächst als von dem Innenraums 11 des Ventils 1 getrennter Teilraum 53 betrachtet werden, der prinzipiell erst nach dem Lösen des Ankers 16 von der Anschlagsfläche 18 hydraulisch mit dem Innenraum 11 kommuniziert. Bei der in der Richtung 52 erfolgenden Bewegung des Ankers 6 vergrößert sich der Zwischenraum 53. Dies bedeutet, dass es tendenziell zu einem Druckabfall im Zwischenraum 53 kommt.
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Dieser wird nun durch ein Einströmen des flüssigen Fluids aus dem Innenraum 11 über den beim Lösen gebildeten Drosselspalt 61 ausgeglichen. Das bedeutet, dass ein Fluidaustausch durch den Drosselspalt 61, die innen liegende beziehungsweise innere Teilfläche 50, den Durchgangskanal 30 im Bereich seiner Öffnung 45 und die äußere beziehungsweise außen liegende Teilfläche 51 von außen nach innen erfolgt. Der hydraulische Klebeeffekt ergibt sich aber nicht oder nur geringfügig am Zwischenraum 53. Dadurch wird ein Ablösen des Ankers 6 gerade am Beginn seiner Bewegung in der Richtung 52 von dem Anschlagelement 16 erleichtert. Ein hydraulisches Kleben wird dadurch erheblich reduziert.
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Das in 3 gezeigte Detail des Ventils 1 zeigt auch einen zweiten Zeitpunkt bei dem Betätigungsvorgang, bei dem der Anker 6 beim Schließen des Ventils 1 in einer Richtung 54 gegen das Anschlagelement 16 geführt wird. Wenn sich der Anker 6 dem Anschlagelement 16 nähert, dann kommt es zur Verdrängung des flüssigen Fluids aus dem Zwischenraum 53 beziehungsweise tendenziell zu einem Druckanstieg im Zwischenraum 53. Dadurch wird das flüssige Fluid aus dem Zwischenraum 53 durch den gebildeten Drosselspalt 61, die innere Teilfläche 50, den Durchgangskanal 30 im Bereich seiner Öffnung 45 und die äußere Teilfläche 51 in den Innenraum 11 von innen nach außen verdrängt. Bei diesem Fluidaustausch kommt es über den Drosselspalt 61 zwischen dem Anlagebereich 60 und der Stirnfläche 23 des Ankers 6 zu einer stark gedrosselten Durchleitung von Brennstoff.
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Bei einer dynamischen Betrachtung kommt es beim Schließen des Ventils 1 beziehungsweise beim Anprallen des Ankers 6 in der Richtung 54 gegen das Anschlagelement 16 allerdings auch noch zu einer elastischen Verformung des Anschlagelements 16. Dadurch kann beim Schließen des Ventils 1 ein Rückprellen des Ankers 6 an dem Anschlagelement 16 reduziert werden.
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Aufgrund einer elastischen Verformung des Anschlagelements 16 gegenüber der in 3 dargestellten Kontur 56 kommt es in dem Teil 62 zu einer Reduzierung des Neigungswinkels 44, so dass sich der Zwischenraum 53 zwischen dem Anker 6 und dem Anschlagelement 16 verkleinert, wobei der Fluidaustausch aus dem Zwischenraum 53 in den Innenraum 11 von innen nach außen über den nun als Quetschspalt 61 wirkenden Drosselspalt 61 gedrosselt ist. Dies bedingt einen entsprechend starken Druckanstieg im Zwischenraum 53. Dies bedingt unkompensierte hydraulische Kräfte entgegen der Richtung 54, die an der Stirnfläche 23 auf den Anker 6 wirken. Zusätzlich wirken elastische Kräfte beziehungsweise Federkräfte, die aufgrund der elastischen Verformung des Anschlagelements 16 auf den an der Ventilnadel 7 geführten Anker 6 entgegen der Richtung 54 wirken. Insgesamt bedingt dies über einen gewissen Bewegungsbereich des Ankers 6 eine gedämpfte Abbremsung des Ankers 6 in der Richtung 54.
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Das Ventil 1 ist hierbei vorzugsweise so ausgestaltet, dass der Zwischenraum 53 zu keinem Zeitpunkt vollständig verschwindet, also flüssiges Fluid im Zwischenraum 53 vorhanden ist, wenn der Anker 6 relativ zu der Ventilnadel 7 zum Stillstand kommt und entsprechend der Dynamik des Abbremsvorgangs eine Bewegungsumkehr des Ankers 6 erfolgt.
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Bei dem Betätigungsvorgang wird nach der Bewegungsumkehr des Ankers 6 bei weiterhin geschlossenem Ventil 1 beim Rückfedern des Anschlagelements 16 in die durch die Kontur 56 veranschaulichte entspannte Stellung des Anschlagelements 16 eine Zunahme des Volumens des Zwischenraums 53 verursacht. Dies bedingt nun einen Unterdruck im Zwischenraum 53 gegenüber dem Druck im Innenraum 11. Somit entsteht eine unkompensierte hydraulische Kraft auf den Anker 6 entgegen der Richtung 52. Da die Rückstellung des Anschlagelements 16 in seine entspannte Ausgangsstellung eine Kraft auf den Anker 6 in der Richtung 52 verursacht, dämpft der Unterdruck im Zwischenraum 53 die Bewegung des Ankers 6 nach seiner Bewegungsumkehr. Dadurch wird ein Rückprellen des Ankers 6 gedämpft. Entsprechend der Entspannung des Anschlagelements 16 wird ein Fluidaustausch in den Zwischenraum 53 nur über den stark drosselnden Drosselspalt 61 ermöglicht.
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Somit wird das Rückfedern des Ankers 6 in der Richtung 52 durch den entstehenden Unterdruck im Zwischenraum 53 gebremst. Je nach Ausgestaltung des Ventils 1 können gegebenenfalls noch weitere Nachschwingungen auftreten. Allerdings wird eine vorteilhafte Dämpfung erzielt, so dass es zu einer verbesserten Beruhigung des Ankers 6 kommt. Insbesondere kann dadurch ein nochmaliges Öffnen des Ventils 1 durch einen Rückprall des Ankers 6 und ein vollständiges Durchlaufen des Ankerfreiwegs 20 vermieden oder ganz verhindert werden. Des weiteren kann der Anker 6 in kurzer Zeit so weit beruhigt werden, dass bei einer erneuten Betätigung der Ankerfreiweg 20 zumindest weitgehend als Beschleunigungsstrecke für den Anker 6 zur Verfügung steht, um ein zuverlässiges Öffnen des Ventils 1 mittels eines ausreichend großen Bewegungsimpulses des Ankers 6 zu erzielen. Somit kann beispielsweise bei einer gewünschten Mehrfacheinspritzfähigkeit ein kurze Pausenzeit zwischen einzelnen Einspritzungen eines Einspritzzykluses ermöglicht werden.
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Zusammenfassend ist in diesem Ausführungsbeispiel an dem Anschlagelement 16 ein Anlagebereich 60 ausgebildet, an dem der Anker 6 mit seiner Stirnfläche 23 an der Anschlagfläche 18 des Anschlagelements 16 im Ausgangszustand anliegt, wobei das Anschlagelement 16 mechanisch spannungsfrei ist. Dieser Anlagebereich 60 ist hierbei zwischen dem Zwischenraum 53 und der Öffnung 45 des Durchgangskanals 30 ausgebildet. Hierdurch kommt es am Anfang der Betätigung des Ventils 1, bei der der Anker 6 in der Öffnungsrichtung 14 beschleunigt wird, erst nach dem Ablösen des Ankers 6 von der Anschlagfläche 18 zu einem Fluidaustausch. Speziell beim Schließen des Ventils 1 kommt es an dem Anlagebereich 60 zu einer starken Drosselwirkung, wobei flüssiges Fluid beim Ein- beziehungsweise Ausfedern durch den am Anlagebereich 60 bestehenden engen Drosselspalt 61 beziehungsweise Quetschspalt 61 strömen muss. Der dabei entstehende Druckunterschied sorgt im Zusammenspiel mit der Druckbeaufschlagung des Ankers 6 an seiner Stirnfläche 23 mit dem Druck im Zwischenraum 53 und der sich dadurch ergebenden nicht kompensierten hydraulischen Kraft sowohl beim Ein- als auch beim Ausfedern für ein Abbremsen beziehungsweise Dämpfen des Ankers 6.
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4 zeigt das in 3 gezeigte Detail des Ventils 1 entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist an dem Anschlagelement 16 eine ebene, kreisringförmige Fläche 71 ausgestaltet, die den Zwischenraum 53 begrenzt. Ferner ist eine Stufe 72 vorgesehen, die zwischen der kreisringförmigen Fläche 71 und der Anschlagfläche 18 angeordnet ist. Die Stufe 71 hat eine Höhe 73. Über die Höhe 73 ist ein im entspannten Ausgangszustand des Anschlagelements 16 bestehendes Volumen des Zwischenraums 53 einstellbar.
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Zwischen dem Anker 6 und der Ventilnadel 7 ist außerdem ein Führungsspalt 74 vorgesehen. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann die Höhe 73 beispielsweise doppelt so groß wie ein durch den Führungsspalt 74 vorgegebenes Führungsspiel 74’ vorgegeben sein. Beispielsweise kann die Höhe 73 der Stufe 72 20 μm betragen.
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Die kreisringförmige Fläche 71 und die Anschlagfläche 18 sind vorzugsweise senkrecht zu der Längsachse 15 der Ventilnadel 7 orientiert.
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Über die Vorgabe der radialen Mindestlänge 75 ist eine Abstimmung des hydraulischen beziehungsweise dynamischen Verhaltens bei der Ansteuerung des Ventils 1 möglich. Beim Beginn der Betätigung des Ankers 6, wenn sich dieser von der Anschlagfläche 18 löst, muss Fluid zwischen den Anschlagbereich 60 der Anschlagfläche 18 und die Stirnfläche 23 des Ankers 6 einströmen. Hierbei wirkt ein hydraulischer Klebeeffekt, bis sich der Anker 6 etwas in der Richtung 52 von der Anschlagfläche 18 entfernt hat. Je kürzer die radiale Mindestlänge 75 vorgegeben wird, desto geringer ist der hydraulische Klebeeffekt.
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Ein weiterer Effekt ergibt sich beim Anprallen des Ankers 6 an dem Anschlagelement 6, bei dem es zunächst zum Ausbilden eines Drosselspalts 61, insbesondere Quetschspalts 61, kommt. Dabei steigt der Druck im Zwischenraum 53 an. Je länger die radiale Mindestlänge 75 vorgegeben wird, desto größer kann tendenziell der im Zwischenraum 53 maximal aufzubauende Druck sein. Somit kann über die radiale Mindestlänge 75 der maximal im Zwischenraum 53 erzielbare Druck eingestellt werden. Hierbei ist ferner zu beachten, dass bei der elastischen Verformung des Anschlagelement 16 ein gewisses Volumen des Zwischenraums 53 erhalten bleibt, da ansonsten der Druck im Zwischenraum 53 zu schnell abgebaut wird. Bei geschlossenem Drosselspalt 61 beziehungsweise Quetschspalt 61 wird ein Teil des Fluidvolumens aus dem Zwischenraum 53 über den Drosselspalt 61 gepresst. Hierbei kann ein Teil des Volumens auch über den Führungsspalt 74 gepresst werden. Ein Druckanstieg im Führungsspalt 74 wirkt jedoch senkrecht zu der Ventilachse 15 und ist in der Regel auch über den Umfang kompensiert.
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Somit wird beim Anprallen des Ankers 6 an dem Anschlagelement 16 von Anfang an eine hohe Drosselwirkung über den Drosselspalt 61 erzielt, also noch bevor die elastische Verformung des Anschlagelements 16 auftritt, so dass es gleich zu einem Druckanstieg im Zwischenraum 53 kommt. Der Druck im Zwischenraum 53 kann dann mit zunehmender Überdehnung des Anschlagelements 16 weiter ansteigen. Die über den Drosselspalt 61 erzielte Drosselwirkung begrenzt dann den maximal erzielbaren Druck und ermöglicht über die Vorgabe der radialen Mindestlänge 75 innerhalb praktischer Grenzen eine gewisse Abstimmung der hydraulisch wirkenden Bremskraft auf den Anker 6 beim Bewegen des Ankers in der Richtung 54.
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Insgesamt ist somit eine Anpassung im Hinblick auf ein reduziertes hydraulisches Kleben beim Öffnen und ein hydraulisches Dämpfen beim Schließen möglich.
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Es versteht sich, dass die Figuren als schematische Zeichnungen zu verstehen sind, in denen die Größenverhältnisse, insbesondere der Neigungswinkel 44 und die Höhe 73 der Stufe 72, in Bezug auf eine bevorzugte Ausgestaltung deutlich übertrieben dargestellt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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