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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, umfassend einen Dichtbereich,
welcher aus einem hochelastischen Metallwerkstoff, z.B. metallischem Glas,
auch Bulk Metallic Glass (BMG) bezeichnet, oder anderen hochelastischen
Werkstoffen, hergestellt ist.
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Ventile
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. Insbesondere bei Ventilen zur Einspritzung von Kraftstoff werden
in jüngster
Zeit aufgrund der hohen Systemdrücke
auch erhöhte
Anforderungen an die Ventildichtheit gestellt. Bei bekannten Ventilen
wird die Ventildichtheit dadurch sichergestellt, dass eine hohe Fertigungsqualität in Verbindung
mit aufwendigen Dichtungskonstruktionen notwendig ist, was zu sehr hohen
Kosten und dem Einsatz von hoch präzisen und aufwendigen Fertigungstechnologien
fuhrt. Die Entwicklung bei der Kraftstoffeinspritzung geht jedoch
weiter zu immer höheren
Systemdrücken,
was entsprechend zu erhöhten
Anforderungen bezüglich der
Fertigungstechnologie führt.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass es einen hochelastischen, metallischen Dichtbereich
aufweist. Der Dichtbereich ist somit aus einem hochfesten Dichtwerkstoff
hoher Elastizität
hergestellt, und ermöglicht
ein verbessertes Anschmiegen der beiden Kontaktpartner einer Dichtung,
was in einer Erhöhung
der Dichtheit resultiert. Durch das elastische Verhalten des Materials können einfachere
Fertigungstechnologien verwendet werden, so dass derartige Ventile
kostengünstiger
hergestellt werden können.
Dies wird erfindungsgemäß durch
die Verwendung von hochelastischen Metallwerkstoffen, insbesondere
metallischen Gläsern,
auch Bulk Metallic Glasses (BMG), erreicht, wobei insbesondere metallische
Glaslegierungen für Dichtbereiche
eines Ventilschließgliedes
und/oder eines Ventilsitzes verwendet werden. Durch die Verwendung
derartiger Dichtbereiche können
die Ventile insbesondere bei Verwendung als Kraftstoffeinspritzventile,
auch bei höchsten
Drücken
die notwendige Dichtheit sicherstellen.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
sind das Ventilschließglied und/oder
der Ventilsitz vollständig
aus metallischem Glasmaterial hergestellt. Hierdurch kann eine besonders
einfache Herstellung des Ventils gewährleistet werden.
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Weiter
bevorzugt umfasst das Ventilschließglied und/oder der Ventilsitz
ein Dichtelement aus metallischem Glasmaterial. Dies hat den Vorteil,
dass das Ventilschließglied
und der Ventilsitz aus einem sehr kostengünstigen Material hergestellt
werden können
und nur das eigentliche Dichtelement aus dem metallischen Glasmaterial,
wobei das Dichtelement beispielsweise in einer Ausnehmung im Ventilschließglied oder
im Ventilsitz z.B. mittels Kleben fixiert werden kann.
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Das
Dichtelement aus metallischem Glasmaterial ist vorzugsweise derart
ausgebildet, dass es eine Dichtkante aufweist. Dadurch kann eine
sehr sichere Abdichtung ermöglicht
werden.
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Alternativ
kann das Ventilschließglied
aus metallischem Glasmaterial hergestellt sein, wobei das Ventilschließglied jedoch
hohl ausgebildet ist und mit einem Gas, insbesondere Luft, gefüllt ist.
Hierdurch kann insbesondere die Elastizität des Ventilschließglieds
deutlich vergrößert werden.
Das Ventilschließglied
ist dabei besonders bevorzugt als Kugel ausgebildet. Alternativ
kann das Ventilschließglied eine
Kugelform mit einer Vielzahl von äußeren Abflachungen aufweisen.
Die Abflachungen an der Außenseite
der Kugel dienen insbesondere zur Zuführung von Fluid bis zum Dichtbereich
des Ventils.
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Weiter
bevorzugt umfasst das Ventilschließglied einen Aktor, beispielhaft
einen Piezoaktor, und einen Stößel, wobei
der Piezoaktor den Stößel betätigt und
wobei am Ende des Stößels ein
Dichtbereich aus metallischem Glasmaterial angeordnet ist. Dadurch
kann ein besonders kompakt aufgebautes Ventil verwendet werden,
welches insbesondere in Öffnungsrichtung
des Ventils eine sehr kleine Bauhöhe aufweist, da auf eine Nadel
o.Ä. verzichtet
werden kann.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von metallischem
Glasmaterial als Dichtelement in einem Ventil. Das Ventil ist besonders
bevorzugt ein Kraftstoffeinspritzventil.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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2 schematische
Schnittansichten, welche die Funktion des in 1 gezeigten
Ventils verdeutlicht,
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3 schematische
Schnittansichten eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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4A, 4B, 4C schematische Schnittansichten
unterschiedlicher Einspritzeinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung,
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5 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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6 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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7 eine
schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
Ventil 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines Ventils 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
welches ein Ventilschließglied 2 und
einen Ventilsitz 3 umfasst. Das Ventilschließglied 2 ist
als Kugel ausgebildet und weist abgeflachte Bereiche 2a auf. 1 zeigt
die geschlossene Stellung des Ventils. Das Ventilschließglied 2 dieses
Ausführungsbeispiels
ist aus einer metallischen Glaslegierung hergestellt und weist somit
hochelastische Eigenschaften auf. Das Ventilschließglied 2 ist
mit einem Stößel 5 verbunden, welcher
in Richtung des Doppelpfeils A linear bewegbar ist, um das Ventil
zu öffnen
bzw. zu schließen.
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Die
Dichtung zwischen dem Ventilschließglied 2 und dem Ventilsitz 3 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine linienförmige
und ringförmige
Abdichtung.
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2 zeigt
schematisch die Funktion des erfindungsgemäßen Ventils in zwei Abbildungen.
Die linke Abbildung von 2 zeigt dabei eine geöffnete Stellung
des Ventils 1, in welcher ein Fluid durch den geöffneten
Ventilsitz 3 hindurchströmen kann, was durch die Pfeile
angedeutet ist. Das Ventilschließglied 2 ist dabei
vom Ventilsitz 3 abgehoben, was durch den Pfeil B angedeutet
ist. In der rechten Abbildung von 2 ist der
geschlossene Zustand des Ventils 1 dargestellt. Auf das
Ventilschließglied 2 wird dabei
durch den Stößel eine
Kraft ausgeübt,
was zu einer Verformung des Ventilschließglieds 2 führt. Diese
Kraft ist durch den Pfeil C angedeutet. Aufgrund der Verformung
des Ventilschließglieds 2 kann
eine hochdichte Abdichtung am Dichtbereich 4 zwischen dem
Ventilschließglied 2 und
dem Ventilsitz 3 erreicht werden.
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Es
sei angemerkt, dass alternativ auch neben dem Ventilschließglied 2 der
Ventilsitz 3 aus einer metallischen Glaslegierung hergestellt
werden kann.
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3 zeigt
ein Ventil 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den
gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
weist beim zweiten Ausführungsbeispiel
das Ventilschließglied 2 einen
Hohlkörper 6 mit
einem inneren Hohlbereich auf, welcher mit einem Gas 7 oder einer
Flüssigkeit
gefüllt
ist. Die linke Abbildung von 3 zeigt dabei
wieder den geöffneten
Zustand und die rechte Abbildung von 3 den geschlossenen Zustand
des Ventils 1. In geöffnetem
Zustand des Ventils ist das Ventilschließglied nicht verformt, so dass
der Hohlkörper
im Wesentlichen eine Kugelform aufweist. In geschlossenem Zustand
wird jedoch, wie durch den Pfeil C angedeutet, eine Schließkraft auf den
Hohlkörper 6 ausgeübt, so dass
eine starke Verformung des Ventilschließglieds erfolgt. Hierdurch wird
eine hohe Abdichtung am Dichtbereich 4 zwischen dem Ventilschließglied und
dem Ventilsitz 3 erreicht. Ein derartiger Hohlkörper 6 aus
einer metallischen Glaslegierung kann beispielsweise ähnlich wie eine
Kugel bei einer Kugellagerherstellung hergestellt werden. Der Hohlkörper 6 weist
dabei eine signifikant höhere
Elastizität
als eine Vollkugel aus einer metallischen Glaslegierung auf. Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf die 4a, 4b und 4c die
Verwendung von Ventilschließgliedern 2 in
Einspritzventilen für
Kraftstoffe zur Verwendung in einem Fahrzeug beschrieben. 4a zeigt
ein Ventil 1, welches einen Piezoantrieb 8 aufweist,
der einen Stößel 5 betätigt, welcher
mit dem Ventilschließglied 2 verbunden
ist. Mittels des Piezoantriebs 8 kann somit das Ventil 1 geöffnet und
geschlossen werden. 4b zeigt ein Ventil 1,
bei dem ein Piezoantrieb 8 direkt einen Ventilkörper 9 betätigt, wobei
der Ventilkörper 9 mit
dem Ventilschließglied 2 verbunden
ist. Eine Zuführung von
Fluid kann dabei über
Ausnehmungen, welche in einem Gehäuseelement 10 und/oder
dem Ventilkörper 9 gebildet
sind und bis zu dem Bereich vor dem Ventilschließglied 2 reichen,
ermöglicht
werden. Das in 4c gezeigte Ventil 1 weist
im Unterschied zu der in 4a gezeigten
Ausführung
zusätzlich
noch eine Druckübersetzung 11 auf,
um den Hub des Piezoantriebs 8 zu übersetzen. Es sei angemerkt,
dass bei allen dargestellten Ausführungsformen der 4a bis 4c das
Ventilschließglied 2 als
aus einer hochelastischen, metallischen Glaslegierung hergestellten
Kugel aus Vollmaterial entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
oder als Hohlkugel entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet
werden kann.
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines Ventils 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Ventilschließglied 2 wieder
als Kugel aus einer hochelastischen, metallischen Glaslegierung
hergestellt. Zusätzlich
ist am Ventilsitz 3 ein Dichtelement 13 aus hochelastischer,
metallischer Glaslegierung vorgesehen. Ein Dichtbereich 4 wird somit
zwischen dem Ventilschließglied 2 und
dem Dichtelement 13 gebildet. Das Dichtelement 13 ist
in einer im Ventilsitz 3 gebildeten Ausnehmung 3a fixiert.
Das Dichtelement 13 des dritten Ausführungsbeispiels ist dabei im
Wesentlichen ringförmig
gebildet und weist eine bogenförmige
Dichtfläche
auf, welche in Richtung des Ventilschließglieds 2 gerichtet ist. 5 zeigt
dabei wieder den geschlossenen Zustand des Ventils 1. Das
Ventilschließglied 2 und
das Dichtelement 13 können
dabei aus dem gleichen Material oder auch aus unterschiedlichen
metallischen Glaslegierungen hergestellt sein. Beispielsweise kann
alternativ auch die Kugel 2 aus Stahl hergestellt sein
und lediglich das Dichtelement 13 aus einer metallischen
Glaslegierung sein.
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6 zeigt
ein Ventil 1 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den
gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet sind. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
weist das Ventil 1 des vierten Ausführungsbeispiels ein Dichtelement 14 aus
einer metallischen Glaslegierung auf, welches am Ende einer Ventilnadel 15 angeordnet
ist. Die Ventilnadel 15 kann vom Ventilsitz 3, wie
durch den Doppelpfeil A angedeutet ist, abgehoben und auf diesen
gedrückt
werden, wobei sich eine Abdichtung zwischen einer äußersten
Kante 14b des Dichtelements 14 und dem Ventilsitz 3 ergibt.
Die Kante des Dichtelements 14 wird dadurch erreicht, dass
eine Dichtfläche 14a des
Dichtelements 14 sich verjüngend ausgebildet ist. Das
Ventil dieses Ausführungsbeispiels
weist insbesondere geringere Anforderungen an eine Koaxialität im Vergleich
mit einem herkömmlichen
Flachsitz auf, so dass ein einfachere und kostengünstigere
Herstellung des Ventils 1 möglich ist. Es sei angemerkt,
dass alternativ auch am Ventilsitz 3 zusätzlich noch
ein weiteres Dichtelement aus einer metallischen Glaslegierung vorgesehen sein
kann, welche mit dem Dichtelement 14 an der Ventilnadel 15 abdichtet. 6 zeigt
ebenfalls den geschlossenen Zustand des Ventils 1.
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7 zeigt
ein Ventil 1 gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den
gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Piezoantrieb 8 mit einem Stößel 17 verbunden,
an welchem ein ringförmiges
Dichtelement 16 angeordnet ist. Das Dichtelement 16 dichtet
gegen einen Ventilsitz 3 ab, wobei im abgehobenen Zustand
des Dichtelements 16 vom Ventilsitz 3 ein Fluid,
insbesondere ein Kraftstoff, einem Durchlass 3b zugeführt wird, was
durch den Pfeil D angedeutet ist. Somit kann bei diesem Ausführungsbeispiel
auf eine Ventilnadel verzichtet werden. Das Dichtelement 16 ist
dabei ähnlich wie
das Dichtelement im vierten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Es
sei angemerkt, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkend sind.
Die Ausführungsbeispiele
können
in vielfältigen
Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendet werden, ohne
den Rahmen der Erfindung wie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert
zu verlassen.