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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, das beispielsweise in einem Kraftstoffversorgungssystem eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt.
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Hintergrund der Erfindung
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In Fahrzeugen werden Druckregelventile beispielsweise dazu verwendet, einen Druck in einem Hochdruckbereich eines Common-Rail-Einspritzsystems auf einem bestimmten Niveau zu regeln. Ein derartiges Druckregelventil weist in der Regel einen Aktuator in der Form eines Elektromagneten auf, der einen Ventilstift bzw. Druckstift bewegen kann und der ein Ventilelement, wie etwa eine Ventilkugel, durch die Magnetkraft in einem Ventilsitz hält, um das Druckregelventil zu schließen.
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Wird das Ventilsitzdesign (wie etwa ein Sitzwinkel, ein Sitzdurchmesser und/oder ein Kugeldurchmesser) beibehalten, was bei einer Wiederverwendung von Bauteilen von Vorteil sein kann, so muss bei steigendem Druck im Common-Rail-Einspritzsystem die Magnetkraft ansteigen, um das Ventil geschlossen zu halten. Dies kann größere Magneten und höhere Ströme erfordern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Druckregelventil bereitzustellen, das kompakt ist und das hohe Drücke regeln kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, das beispielsweise in das Gehäuse einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems verbaubar ist.
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Das vorgeschlagene Druckregelventil umfasst ein Gehäuse mit einer Eingangsöffnung und einer Abströmöffnung; einen im Gehäuse geführten ersten Ventilstift bzw. ersten Druckstift; ein Ventilelement an einem Ende des ersten Ventilstifts, das dazu ausgeführt ist, einen Ventilsitz bei Bewegung des Ventilstifts zu verschließen, so dass ein Fluidstrom zwischen der Eingangsöffnung und der Abströmöffnung unterbrochen wird; und einen Aktuator zum Bewegen des ersten Ventilstifts.
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Erfindungsgemäß umfasst das Druckregelventil ferner einen zweiten Ventilstift bzw. zweiten Druckstift, der axial mit dem ersten Ventilstift ausgerichtet ist. Die beiden Ventilstifte können identische Achsen aufweisen. Das Druckregelventil umfasst darüber hinaus zwei Hebelelemente bzw. Hebelteile, die zwischen dem ersten Ventilstift und dem zweiten Ventilstift nebeneinander angeordnet sind, wobei die Hebelelemente dazu ausgeführt sind, die von dem Aktuator auf den zweiten Ventilstift ausgeübte Kraft zu vergrößern und auf den ersten Ventilstift zu übertragen.
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Jedes der Hebelelemente kann einen langen Hebel bereitstellen, der mit dem zweiten Ventilstift und damit mit dem Aktuator gekoppelt ist, und kann einen kurzen Hebel bereitstellen, der mit dem ersten Ventilstift und damit mit dem Ventilelement gekoppelt ist. Auf diese Weise kann bei größerem Hubweg des zweiten Ventilstifts die auf den ersten Ventilstift bzw. auf das Ventilelement ausgeübte Kraft erhöht werden.
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Der Aktuator kann beispielsweise eine Spule umfassen bzw. ein Elektromagnet sein, die den zweiten Ventilstift mittels eines Ventilankers in Richtung des Ventilsitzes bewegen kann. Ist das Ventil offen, d.h. sitzt das Ventilelement (beispielsweise eine Ventilkugel) nicht auf dem Ventilsitz (beispielsweise eine kegelförmige Öffnung), kann Fluid, wie etwa Kraftstoff, zwischen der Eingangsöffnung und der Abströmöffnung strömen und ein Druck vor der Eingangsöffnung kann abgebaut werden.
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Das Druckregelventil weist damit eine (rein) mechanische Kraftuntersetzung mittels zwei parallel angeordneter Hebelelemente auf, mit der die erforderliche Magnetkraft reduziert werden kann. Damit die Magnetkraft bei Drucksteigerung nicht weiter steigen muss (und gegebenenfalls sogar reduziert werden kann), werden parallele Hebelelemente eingesetzt, die eine Kraftuntersetzung ermöglichen. Zusätzlich ist eine Miniaturisierung des Magnetkreises und des Gehäuses bei einer Steigerung des Drucks des Common-Rail-Systems möglich.
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Gegenüber in Reihe angeordneten Hebelelementen (auf Basis gleicher Bauhöhe der Hebelelemente) ermöglichen parallel angeordnete Hebelelemente bei gleichem Untersetzungsverhältnis der Kraft eine weitere axiale Bauraumminimierung und Querkraftreduzierung auf die Ventilstifte.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Ventilstift in einem ersten Gehäuseteil in axialer Richtung geführt und ist der zweite Ventilstift in einem zweiten Gehäuseteil geführt. Das Gehäuse kann somit eine axiale Führung für die beiden Ventilstifte bereitstellen, die mittels Bohrungen geschaffen werden können.
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Zwischen den beiden Gehäuseteilen kann ein Fixierring angeordnet sein, in dem die Hebelelemente aufgenommen sind. Der Fixierring kann beispielsweise eine zylinderförmige Aufnahme für die Hebelelemente aufweisen. Der Fixierring und die beiden Gehäuseteile können fluchtende Ausflächen aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das erste Gehäuseteil einen Ventilkörper, der den Ventilsitz und/oder die Abströmöffnung bereitstellt. Somit können die Funktion der Führung des ersten Ventilstifts und die Ventilfunktion in einem Bauteil zusammengefasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind das erste Gehäuseteil und der Fixierring in einer becherförmigen Aufnahme aufgenommen, die am zweiten Gehäuseteil befestigt ist. Beispielsweise kann eine becherförmige Spannmutter, die an das zweite Gehäuseteil geschraubt ist, die Aufnahme bereitstellen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist jedes der Hebelelemente einen ersten Hebelpunkt auf, der auf dem zweiten Ventilstift abgesetzt ist und einen zweiten Hebelpunkt auf, der auf dem Gehäuseteil abgestützt ist, das den zweiten Ventilstift in axialer Richtung führt. Die beiden Hebelpunkte können sich auf der gleichen Seite des jeweiligen Hebelelements befinden. Jedes der Hebelelemente kann Ansätze für die Hebelpunkte aufweisen, die vom Grundkörper des Hebelelements abstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Ventilstift einen kleineren Durchmesser als der erste Ventilstift auf. Ein Hebelpunkt eines der Hebelelemente, der den oben genannten Hebelpunkten gegenüberliegt, kann dann außerhalb des Durchmessers des zweiten Ventilstiftteils auf dem ersten Ventilstift abgesetzt werden. Auf diese Weise kann ein größeres Kraftübersetzungsverhältnis bereitgestellt werden.
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Hebelpunkte der Hebelelemente können mit gleichem Abstand zu einer Ventilstiftachse auf dem ersten und/oder zweiten Ventilstift abgesetzt sein. Insbesondere wenn die Hebelpunkte der Hebelelemente symmetrisch zur Achse des jeweiligen Ventilstifts auf diesem abgesetzt sind, können so Kräfte quer zur Erstreckungsrichtung des Ventilstifts vermieden werden, was den Verschleiß des Druckregelventils vermindern kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Hebelelemente L-förmig ausgeführt. Auf diese Weise können die Hebelelemente ineinandergreifend in der Aufnahme im Gehäuse angeordnet werden, so dass jeweils zwei Hebelpunkte symmetrisch zur Achse des ersten Ventilstifts und symmetrisch zur Achse des zweiten Ventilstifts abgesetzt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Hebelelemente identisch ausgeführt. Dies führt zu einer symmetrischen Kraftübertragung zwischen den beiden Ventilstiften. Auch kann dies Herstellungskosten vermindern.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Hebelelemente in einer Aufnahme im Gehäuse geführt. Sie weisen jeweils eine äußere Abrollfläche auf, die dazu ausgeführt ist, in der (zylinderförmigen) Aufnahme abzurollen. Die äußere Abrollfläche kann dreidimensional gekrümmt sein und eine kreisförmige Kontur sowohl in axialer Richtung als auch in seitlicher Richtung aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Hebelelemente jeweils eine innere Abrollfläche auf, wobei die inneren Abrollflächen dazu ausgeführt sind, aufeinander abzurollen. Diese Abrollflächen können lediglich zweidimensional gekrümmt sein und in einer seitlichen Richtung gerade verlaufen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist jedes der Hebelelemente in radialer Richtung zwei zueinander versetzte innere Abrollflächen auf. Dies ermöglicht eine symmetrische Ausführung der Hebelanordnung der beiden Hebelelemente.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen den Hebelelementen Öffnungen bzw. Spalte freigelassen, die einen Druckausgleich zwischen den beiden Seiten der Hebelanordnung ermöglichen. Die Öffnungen können beispielsweise benachbart zu den inneren Abrollflächen angeordnet sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Druckregelventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die 3A zeigt die Hebelelemente aus der 2 in einem nicht-ausgelenkten Zustand in Seitenansicht.
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Die 3B zeigt die Hebelelemente aus der 2 in einem nicht-ausgelenkten Zustand in einer perspektivischen Seitenansicht.
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Die 4A zeigt die Hebelelemente aus der 2 in einem ausgelenkten Zustand in Seitenansicht.
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Die 4B zeigt die Hebelelemente aus der 2 in einem ausgelenkten Zustand in einer perspektivischen Seitenansicht.
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Die 5 zeigt ein Hebelelement aus der 2 in Draufsicht und drei Seitenansichten.
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Die 6 zeigt die Hebelelemente aus der 2 in einem ausgelenkten Zustand im Längsschnitt und in Draufsicht.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil 10, das einen Druckstift bzw. Ventilstift 12 umfasst, der mittels Magnetkraft gegen einen Ventilsitz 14 gedrückt werden kann, um ein Fließen eines Fluids (wie etwa Kraftstoff für ein Fahrzeug) von einer Eingangsöffnung 16 in eine Abströmöffnung 18 zu verhindern.
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Der Ventilstift 12 ist in einem Gehäuse 20 und wird von diesem in einer axialen Richtung A geführt. In dem Gehäuse 20 ist eine den Ventilstift 12 umschließenden Spule 22 angeordnet, die bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, das auf eine Ankerplatte 24 wirkt, die an einem Ende des Ventilstifts 12 befestigt ist und im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung A des Ventilstifts 12 angeordnet ist. Das Gehäuse 20, die Spule 22 und die Ankerplatte 24 bilden einen Aktuator 25 für den Ventilstift 12.
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Die Ankerplatte 24 ist in einer Öffnung 26 im Gehäuse 20 angeordnet, die von einem Ventildeckel 28 verschlossen ist, der in die Öffnung 26 eingefügt ist. Über dem Ventildeckel 28 befindet sich eine Umspritzung 30, die einen Stecker 32 bzw. eine elektrische Schnittstelle 32 aufweist, in der elektrische Kontakte 34, wie etwa Steckerpins, zur Bestromung der Spule 22 angeordnet sind.
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An dem Ende, das der Ankerplatte 24, dem Ventildeckel 28 und der Umspritzung 30 gegenüberliegt, weist das Gehäuse 20 einen Ventilkörper 36 auf, der den Ventilsitz 14, beispielsweise in Form eines Kegelsitzes, aufweist. Der Ventilsitz 14 befindet sich dabei in axialer Richtung A gegenüberliegend einer Spitze 38 des Ventilstifts 12. Die Eingangsöffnung 16, die in den Ventilsitz 14 mündet und durch den Ventilkörper 36 in axialer Richtung A verläuft, ist mit einem becherförmigen Filter 40 überdeckt, der an dem Ventilkörper 36 befestigt ist.
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Der Ventilkörper 36 kann als ein Teil 36 des Gehäuses 20 aufgefasst werden und ist in axialer Richtung A in einen weiteren Teil 42 des Gehäuses 20 gesteckt, der die axiale Führung für den Ventilstift 12 bereitstellt. Zwischen dem Ventilkörper 36 und dem Teil 42 des Gehäuses 20 ist eine Einstellscheibe 44 angeordnet, mit der der Abstand zwischen der Ventilspitze 38 und dem Ventilsitz 14 in axialer Richtung eingestellt werden kann.
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Die Spitze 38 des Ventilstifts 12 kann durch eine Ventilkugel 46 gebildet sein, die auf das äußerste Ende des Ventilstifts 12 aufgesetzt ist.
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Ist das Niederdruckventil 10 nicht bestromt, drückt eine Ventilfeder 48 die Ankerplatte 24 zusammen mit dem Ventilstift 12 in axialer Richtung A vom Ventilsitz 14 weg. Wird das Niederdruckventil 10 bestromt, wird die Ankerplatte 24 und der Ventilstift 12 in axialer Richtung auf den Ventilsitz zu bewegt, indem die Spule 22 die Ankerplatte 24 anzieht und somit eine Kraft auf den Ventilsitz 14 ausübt. Solange die von der Ventilspitze 12 auf den Ventilsitz ausgeübte Kraft größer ist als die durch den Druck des Fluids in der Eingangsöffnung 16 verursachte Gegenkraft, bleibt das Ventil 10 geschlossen. Ansonsten kann Fluid aus der Eingangsöffnung 16 in die Abströmöffnungen 18 gelangen, die von einem Niederdruckbereich 49, der die Ventilspitze 38 umgibt und im Gehäuseteil 42 gebildet ist, seitlich weg führen.
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Das Gehäuse 20 bzw. der Gehäuseteil 42 ist von einer Spannmutter 50 umgeben, mit der das Druckregelventil 10 an einem Hochdruckaggregat eines Fahrzeugs befestigt werden kann. Die Spannmutter 50 wird von einem Sicherungsring 52 gehalten. Ein Dichtring 54 bzw. O-Ring 56 umgibt den Gehäuseteil 42 bezüglich des Ventilkörpers 36 vor der Spannmutter 50.
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2 zeigt einen Abschnitt eines Druckregelventils 10, das genauso aufgebaut sein kann wie das in der 1 gezeigte Druckregelventil 10, bei dem jedoch der Bereich mit dem Ventilsitz 14 und den Abströmöffnungen/-bohrungen 18 wie in der 2 ausgeführt ist.
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Das Druckregelventil 10 der 2 umfasst einen unteren, ersten Ventilstift 12 und einen oberen, zweiten Ventilstift 12‘, der mit der Ankerplatte 24 verbunden ist. Zur Umsetzung der Kraftuntersetzung wird der Ventilstift 12 der 1 sozusagen zweigeteilt.
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Der erste Ventilstift 12 ist im Ventilkörper geführt, in dem nun auch die Abströmöffnungen vorgesehen sind. Zwischen dem ersten Ventilstift, der eine kegelförmige Spitze mit aufgesetzter Ventilkugel aufweist und einer kegelförmigen Vertiefung mit flacherem Öffnungswinkel als der Ventilsitz, ist ein Ventilraum im Ventilkörper 38 gebildet, der mit den Abströmöffnungen in einem Niederduckbereich verbunden ist.
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Der zweite Ventilstift 12‘ ist in dem Gehäuseteil 42 geführt. Die beiden Ventilstifte 12, 12‘ weisen übereinstimmende Achsen auf. Dabei weist der erste Ventilstift 12 gegenüber dem zweiten Ventilstift 12‘ einen größeren Durchmesser auf (beispielsweise mit einem Faktor von 2,5: d2 = 10 mm, d1 = 4 mm).
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Zwischen dem Gehäuseteil 42 und dem Ventilkörper 36 befinden sich ein erstes Hebelelement 60 und ein zweites Hebelelement 62, die in einer zylinderförmigen Aufnahme 64 bzw. einem Hebelraum 64 in einem Fixierring 66 aufgenommen und geführt sind.
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An der Außenseite des Gehäuseteils 42 ist ein Gewinde 68 angebracht, auf das eine becherförmige Spannmutter 70 aufgeschraubt werden kann, die den Ventilkörper 36 und den Fixierring 66 am Gehäuseteil 42 fixiert und in der somit auch der erste Ventilstift 12 und die Hebelelemente 60, 62 aufgenommen sind.
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Die beiden parallel angeordneten Hebelelemente 60, 62 haben dabei Kontakt (über einzelne Kontaktpunkte oder eine Linienberührung) mit dem Gehäuseteil 42 an den Kontaktstellen 72, dem Fixierring an den Kontaktstellen 74 sowie dem ersten und zweiten Ventilstift an den Kontaktstellen 76 und 78.
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Die 3A und 3B zeigen die Hebelelemente 60, 62 in einem Zustand ohne Auslenkung, in dem das Druckregelventil 10 geschlossen ist und die 4A und 4B zeigen die Hebelelemente 60, 62 in einem Zustand mit Auslenkung, in dem das Druckregelventil 10 offen ist.
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Die Kontaktpunkte 72, 76 und 78 der Hebelelemente 60, 62 stellen Hebelpunkte 72, 76, 78 dar, die die Hebellängen der Hebelelemente definieren. Das Hebelelement 60 weist auf einer Seite einen Hebelpunkt 78 auf, der auf dem zweiten Ventilstift 12‘ mittig abgesetzt ist, und einen weiteren Hebelpunkt 72, der auf Höhe des Durchmessers des ersten Ventilstifts 12 auf dem Gehäuseteil 42 abgesetzt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite weist das Hebelelement 60 einen Hebelpunkt 76 auf, der außerhalb des Durchmessers des zweiten Ventilstifts 12‘ auf dem ersten Ventilstift 12 abgesetzt ist.
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Das Hebelverhältnis des Hebelelements 60 resultiert aus den Abständen s1, s2 und s3 (die jeweils dem radialen Abstand des Hebelpunkts 72 vom Hebelpunkt 78, dem radialen Abstand des Hebelpunkts 76 vom Hebelpunkt 78 und dem radialen Abstand des Hebelpunkts 76 vom Hebelpunkt 72 entsprechen). Dabei beträgt der Abstand s2 beispielsweise das Dreifache des Abstandes s3.
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Das Hebelelement 62 weist symmetrische Hebelpunkte 72, 76, 78 und die gleichen Abmessungen wie das Hebelelement 60 auf.
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Wird das Ventil geöffnet und der erste Ventilstift 12 um die Auslenkung u1 axial angehoben, so ist die Auslenkung u2 am zweiten Ventilstift 12‘ größer als u1, sie beträgt bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise das Vierfache der Auslenkung von u1. Umgekehrt wird eine Kraft F1, die am ersten Ventilstift 12 angreift, um den entsprechenden Faktor reduziert, zu einer Kraft F2, die am zweiten Ventilstift 12‘ angreift.
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Die Hebelelemente 60, 62 werden dabei um die Winkel α1 und α2 geneigt. Die Hebelelemente 60, 62 bewegen sich dabei gegenüber dem Fixierring 66 an den Kontaktstellen 74. Zueinander haben die Hebelelemente an der Stelle 80 Kontakt.
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Um auf der Innenwandung des Fixierrings 66 abzurollen, weisen die Hebelelemente 60, 62 an ihrer Außenseite eine Abrollfläche 84 auf, die dreidimensional gekrümmt ist (mit den Radien R1 und R5, siehe 5). Um aufeinander abzurollen, weisen die Hebelelemente 60, 62 jeweils aufeinander zuweisende innere Abrollflächen 86 und 86‘ auf, die lediglich zweidimensional gekrümmt sind (mit dem Radius R6, siehe 6). Die Abrollflächen 86, 86‘ eines Hebelelements 60, 62 sind dabei versetzt zueinander angeordnet.
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Beide Hebelelemente 60, 62 sind entsprechend steif (breit in axialer Richtung) ausgeführt, so dass die Verformungen der Hebelelemente 60, 62 während der Krafteinwirkung bzw. Hubbewegung minimiert sind.
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Die 5 zeigt ein Hebelelement 60, 62 aus der 2 in Draufsicht und drei Seitenansichten, um dessen mögliche Abmessungen zu erläutern.
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Dabei beträgt s1 = 5 mm, s2 = 3,75 mm, s3 = 1,25 mm, s4 = 2,5mm, s5 = 3,125 mm und s6 = 10 mm. Mit dem Verhältnis s2 zu s3 = 3 zu 1, resultiert u2 zu u1 = 4 zu 1 und die Kraftuntersetzung F2 zu F1 = 1 zu 4.
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Die Radien sind beispielsweise zu R1 = 7,5 mm, R2 = 2 mm, R3 = 1 mm, R4 = 2,5 mm, R5 = 3,125 mm, R6 = 6,875 mm, R7 = 1,75 mm und R8 = 1,75 mm gewählt. Dabei bewegen sich die Hebelelemente 60, 62 mit dem Radius R5 gegenüber dem Fixierring 66 und mit dem Radius R6 zueinander.
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Die Breitenabmessungen der Hebelelemente 60, 62 betragen beispielsweise b1 = 11 mm, b2 = 5,5 mm, b3 = 4,5 mm und b4 = 3,5 mm.
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6 zeigt die nebeneinander angeordneten Hebelelemente 60, 62 im ausgelenkten Zustand. Da die Abmessungen s1, s2 und s3 bzw. s1`, s2` und s3` identisch sind, erfolgt der Kraftfluss über die Hebelpunkte 76 über den Hebelpunkt 78 zum oberen Ventilstift. An den Hebelpunkten 72 erfolgt die Abstützung am Gehäuse 42.
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Eine Lagefixierung der beiden Hebelelemente 60, 62 in Umfangsrichtung ist nicht erforderlich.
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Die beiden Hebelelemente 60, 62 decken nicht den gesamten Querschnitt der Aufnahme ab (Radius R1, Teilebreite b1). Seitlich von den Hebelelementen 60, 62 und zwischen den Hebelelementen befinden sich Öffnungen 82, durch die ein einfacher Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite der Hebelelemente 60, 62 möglich ist. Druckdifferenzen zwischen den beiden Seiten der Hebelelemente 60, 62 resultieren ggf. durch Spaltströmungen zwischen dem Ventilkörper 36 bzw. dem Gehäuse 42 und den Ventilstiften 12, 12‘. Aufgrund eines höheren Drucks im Ventilraum 49 gegenüber der Aufnahme 64 kann Kraftstoff im Ringraum zwischen dem Ventilkörper 36 und erstem Ventilstift 12 in die Aufnahme 64 strömen.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
