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Die Erfindung betrifft ein Steuerventil zur Versorgung von Düsen mit einem Druckfluid. Das Steuerventil kann der Versorgung von Düsen zur Kühlung und/oder Schmierung einer oder mehrerer Komponenten einer Maschine, beispielsweise einer Kraftmaschine, dienen. Das Steuerventil kann insbesondere der Sprühkühlung und/oder Schmierung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine dienen. Die Erfindung betrifft ferner einen Düsenkopf mit dem Steuerventil und angeschlossenen Düsen.
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Kolben von Verbrennungsmotoren werden mit Druckfluid, das mittels Düsen zu den zu kühlenden oder schmierenden Stellen gesprüht wird, gekühlt und/oder geschmiert. Handelt es sich bei dem Druckfluid um Schmieröl für den Verbrennungsmotor, sind die Düsen im Schmierölkreis des Motors angeordnet und werden von einer Schmierölpumpe, beispielsweise einer vom Verbrennungsmotor angetriebenen Schmierölpumpe, mit dem Druckfluid bzw. Schmieröl versorgt. Mit Blick auf den Energieverbrauch und die nur begrenzt verfügbaren Bauräume, vor allem im Kraftfahrzeugbau, ist man bestrebt, die Pumpenleistung und die Baugröße der Pumpe zu reduzieren und zu diesem Zweck den für die Kühlung und/oder Schmierung benötigten Volumenstrom des Druckfluids an den tatsächlichen Bedarf anzupassen.
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Aus der
US 2016/0047290 A1 ist ein Düsenkopf mit einem integrierten Steuerventil und einer angeschlossenen Düse zur Kühlung eines Kolbens eines Verbrennungsmotors bekannt. Das Steuerventil umfasst ein Ventilgehäuse mit einem Druckanschluss für ein von einer Pumpe bereitgestelltes Druckfluid und einem Arbeitsanschluss, an den die Düse angeschlossen ist. Das Steuerventil ist als Sitzventil ausgeführt. Es kann drei Steuerzustände einnehmen. In einem niederen Druckbereich befindet sich das Steuerventil in einem Schließzustand, in dem eine Feder einen Ventilkolben axial in einen Ventilsitz des Ventilgehäuses drückt, so dass der Ventilkolben den Arbeitsanschluss vom Druckanschluss trennt. Das Druckfluid vom Druckanschluss wirkt der Feder entgegen auf den Ventilkolben. In einem mittleren Druckbereich, hebt der Ventilkolben vom Ventilsitz ab, begrenzt aber mit einer Umfangswand des Ventilgehäuses einen vergleichsweise engen Ringraum, durch den das Druckfluid in einem zweiten Steuerzustand in axialer Richtung durch den Arbeitsanschluss zur Düse strömt. Der Strömungsquerschnitt des Ringraums ist kleiner als der Düsenquerschnitt, so dass der Strömungsquerschnitt des Ringraums im zweiten Steuerzustand den Volumenstrom zur Düse bestimmt. In einem oberen Druckbereich drückt das Druckfluid den Ventilkolben aus dem Bereich des Ringraums, so dass der Ventilkolben in einem dritten Steuerzustand einen Strömungsquerschnitt freigibt, der größer als der Strömungsquerschnitt der Düse ist. Im dritten Steuerzustand bestimmt daher der Strömungsquerschnitt der Düse den Volumenstrom. Das Steuerventil liefert somit in Abhängigkeit vom Druck einen Volumenstrom, der ausgehend vom Volumenstrom ‚Null‘ im Wesentlichen in zwei Stufen auf einen mittleren und einen großen Volumenstrom steigt.
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Oftmals besteht der Wunsch mehrere Düsen mit dem gleichen Steuerventil zu steuern, um unterschiedliche Stellen einer Maschinenkomponente mit dem Druckfluid zu beaufschlagen. So kann eine Düse dazu dienen, einen Kolben einer Brennkraftmaschine an einer Stelle mit Schmieröl primär zu kühlen, während eine andere Düse dazu dient, den Kolben an einer anderen Stelle primär zu schmieren. Der Bedarf an Druckfluid kann in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine von Düse zu Düse unterschiedlich sein. An einer Maschinenkomponente oder Stelle einer Maschinenkomponente kann eine Schmierung beispielsweise ständig, eine Kühlung aber nur phasenweise erforderlich sein. Der Bedarf an Druckfluid kann über- oder unterproportional zum Druck des Druckfluids schwanken.
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Die
DE 10 2015 008 932 A1 offenbart eine Ölspritzvorrichtung zum Anspritzen eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine mit Öl mit wenigstens einem Kanalelement zum Führen des Öls. Das Kanalelement umfasst eine erste und eine zweite Austrittsöffnung, wobei die erste Austrittsöffnung mit einer ersten Düse und die zweite Austrittsöffnung mit einer zweiten Düse fluidisch verbunden ist. In dem Kanalelement ist ein Steuerventil angeordnet, welches zwischen wenigstens einer die erste Düse freigebenden zweiten Endposition und wenigstens einer die erste Düse fluidisch versperrenden ersten Endposition verstellbar ist. Die zweite Düse wird sowohl in der ersten Endposition als auch in zweiten Endposition mit Öl versorgt. Dabei wird der Ventilkolben in der ersten Endposition mittels einer Feder an ein Hülsenelement angedrückt, deren Federkraft dem Druck des Druckfluids entgegenwirkt. Nachteilig an der Ausführung des Steuerventils ist, dass die zweite Düse permanent mit dem Druckanschluss verbunden ist und dass die Versorgung der beiden Düsen mit Öl nicht oder nur ungenau angepasst werden kann.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Steuerventil zu schaffen, das Volumenströme eines Druckfluids zu wenigstens zwei Düsen zwar in Abhängigkeit vom Druck des Druckfluids, aber dennoch flexibel variieren kann, um den Bedarf einer mit dem Druckfluid zu versorgenden Maschinenkomponente angepasst und mit geringem Energieverbrauch decken zu können.
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Ein erfindungsgemäßes Steuerventil zur Versorgung von Düsen mit einem Druckfluid umfasst ein Ventilgehäuse mit einem Gehäusehohlraum, einen Ventilkolben, der im Gehäusehohlraum zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition axial hin und her beweglich ist, und eine Federeinrichtung zur Erzeugung einer auf den Ventilkolben wirkenden Federkraft. Das Ventilgehäuse weist einen Druckanschluss für die Zuführung des Druckfluids, einen ersten Arbeitsanschluss für eine erste Düse und einen weiteren, zweiten Arbeitsanschluss für eine zweite Düse auf. Wird Druckfluid am Druckanschluss unter Druck zugeführt, wirkt der Druck das Druckfluids von der ersten Endposition aus gesehen in Richtung auf die zweite Endposition auf den Ventilkolben. Die Federkraft wirkt in Gegenrichtung, d.h. in Richtung auf die erste Endposition, auf den Ventilkolben.
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Im Sinne einer einfachen Konstruktion und Verringerung der Störanfälligkeit ist es vorteilhaft, wenn in die Gegenrichtung nur die Federeinrichtung auf den Ventilkolben wirkt. Dies ist auch für das Fail-Safe Verhalten des Steuerventils günstig.
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Der erste Arbeitsanschluss umfasst eine erste Anschlussöffnung am Umfang des Gehäusehohlraums, d.h. an einem den Gehäusehohlraum umgebenden Innenumfang des Ventilgehäuses. Der zweite Arbeitsanschluss umfasst eine zweite Anschlussöffnung am Umfang des Gehäusehohlraums. Die erste Anschlussöffnung und die zweite Anschlussöffnung sind am Umfang des Gehäusehohlraums axial zueinander versetzt angeordnet. Sie können in axialer Flucht angeordnet oder aber, wie bevorzugt, auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt sein.
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Nimmt der Ventilkolben eine erste Kolbenposition ein, ist die erste Anschlussöffnung mit dem Druckanschluss verbunden. In der ersten Kolbenposition lässt der Ventilkolben die erste Anschlussöffnung teilweise oder gänzlich frei und trennt die zweite Anschlussöffnung vom Druckanschluss. Wird am Druckanschluss Druckfluid zugeführt, kann sich der Ventilkolben unter dem Druck des Druckfluids in Richtung auf eine zweite Kolbenposition bewegen.
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Nimmt der Ventilkolben die zweite Kolbenposition ein, ist die zweite Anschlussöffnung mit dem Druckanschluss verbunden. In der zweiten Kolbenposition lässt der Ventilkolben die zweite Anschlussöffnung teilweise oder gänzlich frei.
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Die erste Endposition kann insbesondere eine durch Anschlagkontakt in eine axiale Richtung vorgegebene erste Anschlagposition sein. Die zweite Endposition kann insbesondere eine durch Anschlagkontakt in die axiale Gegenrichtung vorgegebene zweite Anschlagposition sein. Den jeweiligen Anschlag für den Ventilkolben kann das Ventilgehäuse oder eine im oder am Ventilgehäuse relativ zum Ventilgehäuse zumindest axial unbeweglich angeordnete Struktur bilden. Die erste Kolbenposition kann mit der ersten Endposition übereinstimmen oder aber zwischen den Endpositionen gelegen, d.h. nicht nur zur zweiten Endposition, sondern auch zur ersten Endposition axial versetzt sein. Die zweite Kolbenposition kann mit der zweiten Endposition übereinstimmen oder aber zur zweiten Endposition axial versetzt, d h. von der ersten Endposition aus gesehen vor der zweiten Endposition gelegen sein.
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Weist die erste Kolbenposition von der ersten Endposition einen axialen Versatz auf, kann das Steuerventil so gestaltet sein, dass der Ventilkolben die erste Anschlussöffnung vom Druckanschluss trennt, wenn er die erste Endposition einnimmt. Ist dies der Fall, bedarf es eines mittels der Federeinrichtung vorgegebenen ersten Drucks, d.h. eines Mindestdrucks, um den Ventilkolben aus der ersten Endposition in Richtung auf die zweite Endposition zu bewegen. Um den Ventilkolben in die erste Kolbenposition zu bewegen und dadurch die erste Düse mit dem Druckfluid zu versorgen, muss der erste Druck überschritten werden.
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Stimmen die erste Kolbenposition und die erste Endposition in alternativen Ausführungen überein, gibt der Ventilkolben die erste Anschlussöffnung in der ersten Endposition zumindest teilweise frei. Die erste Düse ist bei Zuführung von Druckfluid zum Steuerventil bereits bei niedrigstem ersten Druck mit dem Druckanschluss verbunden. Dies kann für eine Minimalversorgung wünschenswert sein, wenn die erste Düse beispielsweise sehr nahe bei und/oder über einer zu versorgenden Stelle der Maschinenkomponente angeordnet werden kann. Da dies nur in wenigen Anwendungen der Fall sein wird, ist es von Vorteil, wenn der Ventilkolben in der ersten Endposition die Anschlussöffnungen für die wenigstens zwei Düsen vom Druckanschluss trennt, so dass Druckfluid nicht unnötigerweise über die Düsen abströmen kann.
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Überschreitet der Druck am Druckanschluss einen mittels der Federeinrichtung vorgegebenen zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, bewegt sich der Ventilkolben in die zweite Kolbenposition, so dass die zweite Düse mit dem Druckfluid versorgt wird. Solange der Druck am Druckanschluss unter dem zweiten Druck bleibt, erreicht der Ventilkolben auch nicht die zweite Kolbenposition und es gelangt kein Druckfluid zur zweiten Düse. Im Druckbereich knapp über dem ersten Druck bis zum zweiten Druck wird Druckfluid vorzugsweise ständig über die erste Düse abgegeben. Der Ventilkolben nimmt in vorteilhaften Ausführungen bei allen Drücken aus diesem Druckbereich stets eine erste Kolbenposition ein, so dass die erste Anschlussöffnung mit dem Druckanschluss verbunden, die zweite Anschlussöffnung aber vom Druckanschluss noch getrennt ist.
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In ersten Varianten bleibt die erste Anschlussöffnung mit dem Druckanschluss auch dann verbunden, wenn der Ventilkolben die zweite Kolbenposition einnimmt, so dass Druckfluid von der ersten und der zweiten Düse abgegeben wird. In zweiten Varianten trennt der Ventilkolben die erste Anschlussöffnung vom Druckanschluss, wenn er die zweite Kolbenposition einnimmt, so dass der ersten Düse in diesem Ventilzustand kein Druckfluid mehr zugeführt wird.
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Die Federeinrichtung besteht in einfachen Ausführungen aus nur einer einzigen Feder. Die Feder ist so angeordnet, dass sie in einem drucklosen Ausgangszustand des Steuerventils, wenn am Druckanschluss Umgebungsdruck herrscht, mit einer Federvorspannkraft auf den Ventilkolben wirkt und diesen in der ersten Endposition hält. Ist die erste Endposition eine erste Kolbenposition, besteht bereits im Ausgangszustand zwischen der ersten Anschlussöffnung und dem Druckanschluss eine Fluidverbindung. Trennt der Ventilkolben die erste Anschlussöffnung in der ersten Endposition vom Druckanschluss, bedarf es eines über Umgebungsdruck liegenden ersten Drucks, um den Ventilkolben aus der ersten Endposition zu bewegen und eines Überschreitens des ersten Drucks, um den Ventilkolben in die erste Kolbenposition zu bewegen. Die Federvorspannkraft, die Federkonstante der Feder und der axiale Weg, den der Ventilkolben bis in die jeweilige Kolbenposition zurücklegen muss, bestimmen den Druck, der am Druckanschluss erreicht werden muss, damit sich der Ventilkolben in die jeweilige Kolbenposition bewegt.
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In bevorzugten Ausführungen umfasst die Federeinrichtung mehrere Federn, nämlich eine erste Feder und wenigstens eine weitere, zweite Feder, jeweils zur Erzeugung einer auf den Ventilkolben dem Druckfluid entgegenwirkenden Federkraft. Die wenigstens zwei Federn, vorzugsweise genau zwei Federn, können in Reihe geschaltet sein. In der Reihenschaltung ist eine der Federn, beispielsweise die erste Feder, in Richtung der wirkenden Kraft an der wenigstens einen anderen der Federn, beispielsweise der zweiten Feder, abgestützt.
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Die vom Ventilkolben ausgeübte Kraft verteilt sich nicht wie bei einer Federparallelschaltung auf die erste und die zweite Feder, sondern wirkt auf diese Federn mit dem gleichen, vollen Betrag. Die erste Feder und die zweite Feder werden vorzugsweise über den gesamten Weg, den der Ventilkolben zwischen den Endpositionen zurücklegen kann, gemeinsam mit der vom Druckfluid auf den Kolben ausgeübten Kraft beaufschlagt.
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Die Federeinrichtung ist am Ventilgehäuse abgestützt. Vorzugsweise wirkt eine der Federn, beispielsweise die erste Feder, direkt auf den Ventilkolben. Vorzugsweise ist eine andere der Federn, beispielsweise die zweite Feder, direkt am Ventilgehäuse oder einer im oder am Ventilgehäuse axial unbeweglich angeordneten Stützstruktur abgestützt. Ist solch eine Stützstruktur mit einer den Gehäusehohlraum umgebenden Gehäusestruktur unbeweglich fest gefügt, werden beide Strukturen als Bestandteile des Ventilgehäuses verstanden.
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Die erste Feder und die zweite Feder können über den gesamten, im Betrieb des Steuerventils auftretenden Druckbereich des Druckfluids stets gemeinsam einfedern. Vorteil einer Federeinrichtung mit mehreren Federn ist jedoch, dass die Federn in Bezug auf die Federvorspannkraft, unter der die jeweilige Feder im drucklosen Ausgangszustand des Steuerventils steht, und/oder in Bezug auf die Federkonstante der jeweiligen Feder so aufeinander abgestimmt sein können, dass bis zu einem bestimmten Druck eine der Federn nachgibt, während die andere oder die gegebenenfalls mehreren anderen Federn noch nicht oder noch nicht in einem für die Funktion des Steuerventils relevanten Ausmaß nachgibt oder nachgeben. Auf diese Weise kann ein bestimmter Druck, beispielsweise der zweite Druck, ab dessen Überschreiten sich der Ventilkolben erst in die zweite Kolbenposition bewegt, präzise eingestellt werden. Stimmen die erste Kolbenposition und die erste Endposition des Ventilkolbens nicht überein, kann auch der genannte erste Druck, der zum Erreichen der ersten Kolbenposition wenigstens überschritten werden muss, präziser als mit nur einer Feder vorgegeben werden.
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Durch die Abstimmung der zwei oder mehr Federn können die Federn unterschiedlichen Druckbereichen zugeordnet werden, so dass im jeweiligen Druckbereich zumindest im Wesentlichen nur eine dem jeweiligen Druckbereich zugeordnete Feder nachgibt. ‚Zumindest im Wesentlichen‘ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im betreffenden Druckbereich nur die zugeordnete Feder das Freigeben und Trennen der jeweiligen Anschlussöffnung bestimmt, während ein etwaiges Nachgeben der einen oder mehreren anderen Federn so gering ist, dass es hinsichtlich des Trennens und Freigebens vernachlässigt werden kann.
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In Ausführungen, in denen die erste Kolbenposition keine Endposition ist, können die Federn aufeinander so abgestimmt sein, dass eine der Federn, beispielsweise die erste Feder, bei Überschreiten des ersten Drucks, noch unterhalb des zweiten Drucks, nachgibt, während die andere Feder, beispielsweise die zweite Feder, noch nicht oder noch nicht in einem praktisch relevanten Ausmaß elastisch deformiert wird. Die zuerst nachgebende Feder gibt in diesem unteren Druckbereich soweit nach, dass sich der Ventilkolben zumindest in eine erste Kolbenposition bewegt, in der er die erste Anschlussöffnung wenigstens teilweise freigibt. Ungeachtet der Frage, ob die erste Endposition eine erste Kolbenposition ist, können die erste Feder und die zweite Feder aufeinander so abgestimmt sein, dass vor Überschreiten des zweiten Drucks nur oder zumindest im Wesentlichen nur eine der Federn, beispielsweise die erste Feder, nachgibt, während die andere Feder, beispielsweise die zweite Feder, noch nicht oder noch nicht in einem praktisch relevanten Ausmaß elastisch deformiert wird. Das sequentielle Nachgeben kann dadurch erreicht werden, dass die zuerst, bei niederem Druck nachgebende Feder mit einer geringeren Federvorspannkraft als die erst später, bei höherem Druck nachgebende Feder eingebaut ist. Zusätzlich kann eine der Federn, zweckmäßigerweise die zuerst nachgebende Feder, eine kleinere Federkonstante als die andere Feder aufweisen. Grundsätzlich können die Federn aber auch die gleiche Federkonstante aufweisen.
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In Ausführungen mit unterschiedlich starken und/oder mit unter unterschiedlicher Federvorspannkraft eingebauten Federn kann eine bei niederem Druck bereits nachgebende Feder direkt auf den Kolben wirken und über eine erst bei höherem Druck nachgebende Feder am Ventilgehäuse abgestützt sein. In Umkehrung dieser Verhältnisse kann aber auch eine erst bei höherem Druck nachgebende Feder direkt auf den Kolben wirken und über eine schon bei niederem Druck nachgebende Feder am Ventilgehäuse abgestützt sein.
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Die Federeinrichtung kann eine im Gehäusehohlraum axial hin und her bewegliche Stützstruktur umfassen, an der eine der Federn, beispielsweise die erste Feder, abgestützt ist. Diese Feder kann mit einem Federende auf den Ventilkolben wirken, vorzugsweise direkt, und an ihrem anderen Federende an der Stützstruktur abgestützt sein. Die Beweglichkeit der Stützstruktur kann axial in Richtung auf den Ventilkolben und/oder in die axiale Gegenrichtung durch einen Anschlag oder jeweils einen Anschlag des Ventilgehäuses begrenzt werden. Der Anschlag kann von einer den Gehäusehohlraum umgebenden Gehäusehohlstruktur oder beispielsweise auch von einer Anschlagstruktur, die in oder an solch einer Gehäusehohlstruktur zumindest axial unbeweglich angeordnet ist, gebildet werden. Die wenigstens eine weitere Feder ist am Ventilgehäuse abgestützt und wirkt in Richtung auf den Ventilkolben auf die Stützstruktur.
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Die wenigstens eine weitere Feder, beispielsweise die zweite Feder, kann mit Federvorspannkraft so angeordnet sein und auf die Stützstruktur wirken, vorzugsweise direkt, dass sie die Stützstruktur mit ihrer Federkraft zumindest dann in einem Anschlagkontakt mit dem Anschlag hält, wenn am Druckanschluss nur Umgebungsdruck herrscht, das Steuerventil sich also im drucklosen Ausgangszustand befindet. In Weiterbildungen hält sie die Stützstruktur auch noch im Anschlagkontakt, während der Ventilkolben sich bereits über eine Teilstrecke aus der ersten Endposition in Richtung auf die zweite Kolbenposition bewegt.
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In vorteilhaften ersten Ausführungen gelangt der Ventilkolben in Richtung auf die zweite Endposition in einen Anschlagkontakt gegen die Stützstruktur. Gibt die an der Stützstruktur abgestützte Feder zuerst nach, können die Federn so abgestimmt sein, dass zumindest im Wesentlichen nur die im Kraftfluss zwischen Ventilkolben und Stützstruktur angeordnete Feder nachgibt, bis der Anschlagkontakt von Ventilkolben und Stützstruktur hergestellt ist. Erst nach Herstellung des Anschlagkontakts gibt die wenigstens eine andere Feder in einem für die Funktion des Steuerventils relevanten Ausmaß nach. Mit einer derartigen Anordnung und Abstimmung der Federn kann eine vorteilhafte Ablaufsteuerung für die Bewegung des Ventilkolbens und somit des Erreichens der ersten und zweiten Endposition in Abhängigkeit vom Druck des Druckfluids verwirklicht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Stützstruktur erst im Anschlag mit dem Ventilkolben, also nur gemeinsam mit dem Ventilkolben bewegt. Die Stützstruktur wird mit dem von Hause aus axial sauber geführten Ventilkolben bewegt und aufgrund des Anschlagkontakts vom Ventilkolben ebenfalls geführt. Der Ventilkolben stabilisiert die Stützstruktur gegen Kippbewegungen. Entsprechend muss nicht für eine eigenständige, saubere Axialführung der Stützstruktur gesorgt werden, was sich günstig auf die Herstellkosten auswirkt.
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Alternativ können die Federn in zweiten Ausführungen aber auch so abgestimmt sein, dass die Feder, welche die Stützstruktur im Ausgangszustand des Steuerventils im Anschlagkontakt hält, zuerst nachgibt. Die Abstimmung kann ferner so vorgenommen werden, dass zumindest im Wesentlichen nur diese Feder nachgibt, bis die Stützstruktur unter dem auf den Ventilkolben wirkenden Druck des Druckfluids axial gegen einen in Bezug auf den Ventilkolben rückwärtigen Anschlag in Kontakt gelangt. Die im Kraftfluss der Federeinrichtung dem Ventilkolben nähere Feder ist in derartiger Ausführung mit größerer Federvorspannkraft als die Feder, welche die Stützstruktur im Ausgangszustand im Anschlagkontakt hält, eingebaut und kann zusätzlich die größere Federkonstante aufweisen. Auch in der alternativen Ausführung kann der Ventilkolben in einen Anschlagkontakt mit der Stützstruktur gelangen, bevorzugt aber erst, nachdem die Stützstruktur in den Anschlagkontakt mit dem rückwärtigen Anschlag gelangt ist.
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Die Anordnung der Stützstruktur im Kraftfluss zwischen der ersten und der zweiten Feder ist für ein sequentielles Einfedern der Federn in voneinander separaten Druckstufen von Vorteil. Das Verbinden und Trennen der zweiten Anschlussöffnung mit dem Druckanschluss und von dem Druckanschluss kann vergleichsweise genau vorgegeben werden, insbesondere in Ausführungen, in denen der Ventilkolben und die Stützstruktur aufgrund gegenseitigen Anschlags im oberen Druckbereich eine axial steife Bewegungseinheit bilden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die eine Feder oder sind die mehreren Federn der Federeinrichtung jeweils Druckfedern, also im Ventilbetrieb auf Druck beanspruchte Federn. Die eine oder mehreren Federn kann oder können der Bauart nach insbesondere Schraubenfedern sein.
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Der Düsenkopf kann in einem Druckfluidkreis angeordnet sein, in dem das Druckfluid mittels einer Pumpe gefördert wird. Bei Anordnung im Schmierölkreis einer Brennkraftmaschine, wird Schmieröl von einer Schmierölpumpe zu den Verbrauchstellen des Schmierölkreises, zu denen in diesem Fall auch der Düsenkopf gehört, gefördert. Handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, wie etwa ein Antriebs-Verbrennungsmotor oder eine Antriebsturbine eines Fahrzeugs, wird die Pumpe typischerweise in fester Drehzahlbeziehung zu einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, so dass das Fördervolumen der Pumpe proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine steigt. Vernachlässigt man Viskositätsänderungen des Druckfluids und zeitlich schwankende Verbräuche an zu schmierenden und/oder zu kühlenden Verbrauchsstellen des Druckfluidkreises, steigt und fällt auch der Druck des Druckfluids mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Vermehrt sind zwar auch Regelpumpen im Einsatz, deren spezifisches Fördervolumen in Abhängigkeit vom Druck des von der Pumpe geförderten Druckfluids oder im Falle von kennfeldgesteuerten Regelpumpen auch in Abhängigkeit von anderen Parametern, wie etwa der Fluidtemperatur und/oder der Motorlast, abgeregelt wird, letztlich kann aber auch eine im Fördervolumen geregelte Pumpe das Fördervolumen und entsprechend den Druck nur für den Förderkreis der Pumpe im Ganzen und nicht auf den Bedarf einzelner Verbrauchsstellen anpassen. Pumpen werden für einen kritischen Verbrauchsfall ausgelegt, wie etwa auf den Betrieb des Motors unter großer Last bei niedriger Drehzahl oder den sogenannten Heißleerlauf. Entsprechen voluminös fallen die Pumpen aus. Im Kraftfahrzeugbau, aber auch im allgemeinen Fahrzeugbau einschließlich Flugzeug- und Schiffsbau, worauf die Erfindung ebenfalls gerichtet ist, besteht andererseits ein beständiges Streben nach Raum- und Gewichtsreduzierung. Mittels des erfindungsgemäßen Steuerventils kann die zweite Düse, in Weiterbildungen auch die erste Düse, bedarfsgerecht zu- und abgeschaltet werden. Insbesondere in Ausführungen, in denen die Federeinrichtung mehrere Federn umfasst, können die Schaltzustände des Steuerventils sauber voneinander getrennt werden. Im Ergebnis können der Verbrauch von Druckfluid reduziert und die Pumpe kleiner dimensioniert werden. Auf Zusatzeinrichtungen, wie etwa temperaturabhängig arbeitende Dehnstoffelemente, kann verzichtet werden, obgleich die Verwendung derartiger Zusatzeinrichtungen nicht von vorherein ausgeschlossen werden soll.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Ansprüche, die Aspekte und auch die vorstehend erläuterten Ausführungen vorteilhaft weiter, solange nicht offensichtlich ein Widerspruch entsteht. Es zeigen:
- 1 einen Düsenkopf mit einem Steuerventil und mehreren an das Steuerventil angeschlossenen Düsen in einer Seitenansicht,
- 2 den Düsenkopf in einer Draufsicht,
- 3 das Steuerventil in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht auf einen Arbeitsanschluss A,
- 4 den Querschnitt C-C der 3,
- 5 das Steuerventil des ersten Ausführungsbeispiels in einer Stirnansicht auf einen Druckanschluss,
- 6 das Steuerventil im Längsschnitt A-A der 3,
- 7 das Steuerventil des ersten Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht auf einen Arbeitsanschluss B,
- 8 das Steuerventil im Längsschnitt B-B der 7,
- 9 das Steuerventil in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht auf einen Arbeitsanschluss A,
- 10 das Steuerventil des zweiten Ausführungsbeispiels in einer Stirnansicht auf einen Druckanschluss,
- 11 das Steuerventil im Längsschnitt A-A der 9,
- 12 das Steuerventil des zweiten Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht auf einen Arbeitsanschluss B,
- 13 das Steuerventil im Längsschnitt B-B der 12,
- 14 ein Steuerventil eines dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht,
- 15 das Steuerventil des dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in einer Stirnansicht auf einen Druckanschluss,
- 16 das Steuerventil im Längsschnitt A-A der 14, und
- 17 das Steuerventil im Längsschnitt B-B der 15.
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Die 1 und 2 zeigen einen Düsenkopf zur Kühlung und/oder Schmierung einer Komponente einer Maschine mit einem Druckfluid. Der Düsenkopf 1 eignet sich beispielsweise zur Kühlung oder zur Schmierung oder sowohl zur Kühlung als auch Schmierung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wie etwa eines Antriebsmotors eines Fahrzeugs, mit einem Kühl- und/oder Schmierfluid. Das Druckfluid kann insbesondere Schmieröl sein, das der Schmierung einer Brennkraftmaschine oder andersartigen Maschine dient und in Zusatzfunktion auch als Kühlfluid verwendet werden kann.
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Der Düsenkopf 1 umfasst ein Steuerventil mit einem Ventilgehäuse 4 und erste Düsen 2 und zweite Düsen 3, die über Verbindungsleitungen an das Steuerventil angeschlossen sind. Das Ventilgehäuse 4 weist einen Druckanschluss P auf, an dem das Druckfluid zugeführt werden kann. Das Steuerventil steuert die Verbindung der Düsen 2 und 3 mit dem Druckanschluss P.
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Das Steuerventil ist in Bezug auf die Düsen 2 und 3 zentral angeordnet, indem an ersten Arbeitsanschlüssen A und zweiten Arbeitsanschlüssen B des Steuerventils die Verbindungsleitungen vom Ventilgehäuse 4 abzweigen. Die Düsen 2 und 3 sind an freien Enden der Verbindungsleitungen angeordnet. Die ersten Arbeitsanschlüsse A münden am Außenumfang des Ventilgehäuses 4 bezüglich einer zentralen Längsachse L des Steuerventils axial auf gleicher Höhe und in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Die zweiten Arbeitsanschlüsse B münden in Umfangsrichtung zueinander und axial zu den ersten Arbeitsanschlüssen A versetzt sowie untereinander auf gleicher Höhe am Außenumfang des Ventilgehäuses 4.
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Die 3 bis 8 zeigen das Steuerventil des Düsenkopfs 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel. In den 3 und 7 ist das Steuerventil des ersten Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht, in 3 auf einen der Arbeitsanschlüsse A und in 7 auf einem der Arbeitsanschlüsse B, dargestellt. 4 zeigt das Steuerventil im Querschnitt C-C der 3. Die 5 ist eine Stirnansicht auf den Druckanschluss P.
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6 zeigt das Steuerventil im Längsschnitt A-A der 3. Im Längsschnitt A-A erstrecken sich die zentrale Längsachse L des Steuerventils und die in Umfangsrichtung zueinander versetzten Arbeitsanschlüsse A. 8 zeigt das Steuerventil in dem in 7 eingetragenen Längsschnitt B-B, in dem sich die zentrale Längsachse L und die in Umfangsrichtung zueinander versetzten Arbeitsanschlüsse B erstrecken.
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Die Arbeitsanschlüsse A und B erstrecken sich radial durch das Ventilgehäuse 4 und münden jeweils mit einer Anschlussöffnung in einem Gehäusehohlraum 6 des Ventilgehäuses 4. Die Arbeitsanschlüsse A und B sind als gerade, radiale Durchgänge gebildet. Der jeweilige Arbeitsanschluss A und/oder B kann in Abwandlungen aber auch von einer radialen Richtung, bezogen auf die Längsachse L, abweichen, beispielsweise in Bezug auf die Umfangsrichtung und/oder in Bezug auf die Längsrichtung mit einer Neigung verlaufen. Die Anschlussöffnungen der ersten Arbeitsanschlüsse A sind axial auf gleicher Höhe und in Umfangsrichtung zu einander versetzt am Innenumfang des Ventilgehäuses angeordnet. Die Anschlussöffnungen der zweiten Arbeitsanschlüsse B sind ebenfalls axial auf gleicher Höhe und in Umfangsrichtung zu einander versetzt am Innenumfang des Ventilgehäuses 4 angeordnet. Die Anschlussöffnungen der ersten Arbeitsanschlüsse A und die Anschlussöffnungen der zweiten Arbeitsanschlüsse B werden im Folgenden ebenfalls mit A und B, das heißt als erste Anschlussöffnungen A und als zweite Anschlussöffnungen B bezeichnet. Die Anschlussöffnungen B sind zu den Anschlussöffnungen A axial versetzt.
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Im Hohlraum 6 des Ventilgehäuses 4 ist ein Ventilkolben 10 axial zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition hin und her beweglich angeordnet. Der Ventilkolben 10 nimmt in den 6 und 8 die erste Endposition ein, die er insbesondere in einem drucklosen Ausgangszustand einnimmt, wenn am Druckanschluss P Umgebungsdruck herrscht, weil beispielsweise kein Druckfluid zugeführt wird. In der ersten Endposition ist der Ventilkolben 10 axial in einem Anschlagkontakt mit einer Anschlagstruktur 19, die relativ zu einer den Gehäusehohlraum 6 umgebenden Gehäusehohlstruktur des Ventilgehäuses 4 unbeweglich ist. Die Anschlagstruktur 19 ist ringförmig, weist einen zentralen, axialen Durchgang 18 auf und ist mit der Gehäusehohlstruktur unbeweglich gefügt. Sie kann als Bestandteil des Ventilgehäuses 4 aufgefasst werden.
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Der Ventilkolben 10 weist einen axialen Steuerabschnitt 11, einen axialen Führungsabschnitt 13 und axial zwischen dem Steuerabschnitt 11 und dem Führungsabschnitt 13 einen Kolbenabschnitt 12 auf, der radial hinter dem Steuerabschnitt 11 und radial auch hinter dem Führungsabschnitt 13 zurücksteht, also schlanker als die beiden Abschnitte 11 und 13 ist. Mit dem Steuerabschnitt 11 wird die Zuführung des Druckfluids vom Druckanschluss P zu den Arbeitsanschlüssen A und B gesteuert. Gleichzeitig dient der Steuerabschnitt 11 gemeinsam mit dem Führungsabschnitt 13 der axialen Geradführung des Ventilkolbens 10 im Gehäusehohlraum 6. Die Geradführung wird durch einen Führungsgleitkontakt der Kolbenabschnitte 11 und 13 mit einem axialen Führungsabschnitt 7 des Ventilgehäuses 4 bewirkt.
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Das Steuerventil umfasst eine Federeinrichtung 20 mit einer ersten Feder 21 und einer zweiten Feder 22. Die Federn 21 und 22 sind in Reihe geschaltet. Die Federeinrichtung 20 beaufschlagt den Ventilkolben 10 mit einer axial in Richtung auf die erste Endposition wirkenden Federkraft, die den Ventilkolben 10 zumindest im Ausgangszustand im Anschlagkontakt mit der Anschlagstruktur 19 hält, indem die Federn 21 und 22 im Ausgangszustand jeweils unter einer Federvorspannkraft stehen.
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Die Federeinrichtung 20 umfasst ferner eine Stützstruktur 23, die im Ventilgehäuse 4 axial hin und her beweglich ist. Die erste Feder 21 wirkt mit einem ersten Federende auf den Ventilkolben 10 und ist an ihrem vom Ventilkolben 10 axial abgewandten Federende an der Stützstruktur 23 abgestützt. Im Ausgangszustand spannt die zweite Feder 22 die Stützstruktur 23 mit Federvorspannkraft axial in einen Anschlagkontakt mit einem Anschlag 9, der von einer nach innen ragenden Schulter des Ventilgehäuses 4 gebildet wird. Die zweite Feder 22 ist an ihrem von der Stützstruktur 23 abgewandten Federende an einer scheibenförmigen Bodenstruktur 5 des Ventilgehäuses 4 abgestützt. Die Bodenstruktur 5 ist mit der Gehäusehohlstruktur des Ventilgehäuses 4 unbeweglich gefügt und wird als Bestandteil des Ventilgehäuses 4 verstanden.
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Beim Steuerventil des ersten Ausführungsbeispiels wird eine Fluidverbindung zwischen dem Druckanschluss P und den Arbeitsanschlüssen A und B über den äußeren Umfang des Ventilkolbens 10 verwirklicht. Die Fluidverbindung erstreckt sich vom zentralen Durchgang 18 der Anschlagstruktur 19 am Außenumfang des Ventilkolbens 10 in axialer Richtung bis zum Steuerabschnitt 11. Die Fluidverbindung erstreckt sich in axialer Richtung im Bereich des Führungsabschnitts 13 des Ventilkolbens 10 durch den Führungseingriff von Ventilgehäuse 4 und Ventilkolben 10. Zur Schaffung der Fluidverbindung durch den Führungseingriff weist der Führungsabschnitt 13 am Außenumfang Abflachungen 14 auf. Die Abflachungen 14 sind am besten im Querschnitt der 4 erkennbar. Der Führungsabschnitt 13 weist mehrere im Führungseingriff befindliche Führungsbereiche auf, die in Umfangsrichtung durch die Abflachungen 14 voneinander getrennt sind. Zwischen den Abflachungen 14 und dem radial zugewandten Innenumfang des Ventilgehäuses 4 wird eine durch den Führungseingriff erstreckte Fluidverbindung 14a erhalten.
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Wie in 5 erkennbar, sind der Ventilkolben 10 und die Anschlagstruktur 19 so geformt, dass im Anschlagkontakt von Ventilkolben 10 und Anschlagstruktur 19 ein Teilquerschnitt 18a des Durchgangs 18 am äußeren Umfang des Ventilkolbens 10 frei bleibt, so dass Druckfluid vom Druckanschluss P durch den freibleibenden Teilquerschnitt 18a und anschließend längs des Außenumfangs des Ventilkolbens 10 und wegen der Fluidverbindung 14a durch den Führungseingriff bis zum Steuerabschnitt 11 des Ventilkolbens 10 strömen kann. Der freibleibende Teilquerschnitt 18a wird dadurch erhalten, dass in der Stirnansicht auf den Druckanschluss P gesehen (5) der Anschlagkontakt von Ventilkolben 10 und Anschlagstruktur 19 in Umfangsrichtung nur bereichsweise besteht und zwischen zwei Anschlagbereichen jeweils ein freies, durchströmbares Ringsegment 18a verbleibt.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Ventilkolben 10 an seiner im Anschlagkontakt befindlichen Stirnfläche kreisrund, während die Anschlagstruktur 19 radial vorstehende und radial zurückstehende Umfangsbereiche aufweist, In den radial einwärts vorstehenden Umfangsbereichen besteht im Ausgangszustand Anschlagkontakt mit dem Ventilkolben 10.
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In den radial zurückstehenden Bereichen verbleiben die freien Ringsegmente 18a. Grundsätzlich würde ein radial nach innen vorstehender Anschlagbereich und ein radial nach außen zurückstehender Umfangsbereich 18a genügen. In Umkehrung der geometrischen Verhältnisse können der radiale Durchgang 18 kreisrund sein und der Ventilkolben 10 zur Bildung des Anschlagkontakts einen oder mehrere radial nach außen vorstehende Umfangsbereiche und zur Schaffung eines freien Teilquerschnitts entsprechend einen oder mehrere radial zurückstehende Umfangsbereiche aufweisen.
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Wird dem Steuerventil am Druckanschluss P Druckfluid zugeführt, übt das Druckfluid seinem Druck entsprechend auf den Ventilkolben 10 eine in Richtung auf die zweite Endposition wirkende Druckkraft aus. Dieser Druckkraft wirkt die Federkraft der Federeinrichtung 20 entgegen. Solange der Druck des Druckfluids einen minimalen, ersten Druck nicht erreicht, drückt die Federeinrichtung 20 den Ventilkolben 10 in den Anschlagkontakt mit der Anschlagstruktur 19. Der Ventilkolben 10 nimmt seine erste Endposition ein. Das Steuerventil befindet sich im Ausgangszustand. Im Ausgangszustand trennt der Ventilkolben 10 sämtliche Arbeitsanschlüsse A und B vom Druckanschluss P.
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Erreicht der auf den Ventilkolben 10 wirkende Druck des Druckfluids den ersten Druck, bewegt sich der Ventilkolben 10 gegen die Federkraft der Federeinrichtung 20 in Richtung auf die zweite Endposition. Überschreitet der Druck des Druckfluids den ersten Druck, gibt der Steuerabschnitt 11 des Ventilkolbens 10 im Verlaufe dieser axialen Bewegung die dem Druckanschluss P axial näheren Anschlussöffnungen A in Abhängigkeit vom Druck teilweise oder gänzlich frei. Die Anschlussöffnungen B trennt der Ventilkolben 10 mit seinem Steuerabschnitt 11 jedoch weiterhin vom Druckanschluss P, solange ein zweiter Druck nicht überschritten wird. Der Ventilkolben 10 nimmt eine erste Kolbenposition ein. Als erste Kolbenposition wird jede Kolbenposition verstanden, in welcher der Ventilkolben 10 die ersten Anschlussöffnungen A wenigstens teilweise frei lässt, die zweiten Anschlussöffnungen B jedoch vom Druckanschluss P trennt. Der Ventilkolben 10 durchfährt bei seiner Bewegung somit ein Kontinuum von ersten Kolbenpositionen, für welche die genannte Bedingung zutrifft.
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Steigt der Druck am Druckanschluss P weiter an und überschreitet einen mittels der Federeinrichtung 20 vorgegebenen zweiten Druck, bewegen sich der Ventilkolben 10 und die Stützstruktur 23 axial gegen die Federkraft der Federeinrichtung 20 weiter in Richtung auf die zweite Endposition, so dass der Steuerabschnitt 11 des Ventilkolbens 10 dem Druck entsprechend auch die zweiten Anschlussöffnungen B teilweise oder gänzlich freigibt und das Druckfluid vom Druckanschluss P durch die Arbeitsanschlüsse B zu den zweiten Düsen 3 (1 und 2) strömen kann. Der Ventilkolben 10 nimmt nun eine zweite Kolbenposition ein, in welcher er die zweiten Anschlussöffnungen B zumindest teilweise frei lässt, so dass diese mit dem Druckanschluss P verbunden sind. Der Ventilkolben durchfährt bei seiner Bewegung auch ein Kontinuum von zweiten Kolbenpositionen, das heißt er durchfährt Kolbenpositionen, in denen die zweiten Anschlussöffnungen B mit dem Druckanschluss P verbunden sind.
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Die Arbeitsanschlüsse A bleiben bei der Bewegung des Ventilkolbens 10 von der ersten Kolbenposition bis in die zweite Kolbenposition mit dem Druckanschluss P verbunden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Freiraum 8 zwischen dem Steuerabschnitt 11 und dem Führungsabschnitt 13 bei der Bewegung von der ersten Kolbenposition bis in die zweite Kolbenposition axial stets in Überlappung mit den ersten Anschlüssen A verbleibt.
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Die zweite Endposition des Ventilkolbens 10 kann wie die erste Endposition durch Anschlagkontakt vorgegeben sein. Hierbei handelt es sich allerdings um einen zweifachen Anschlagkontakt. Bei der Bewegung in Richtung auf die zweite Endposition gelangt der Ventilkolben 10 in einen axialen Anschlagkontakt mit der die erste Feder 21 abstützenden Stützstruktur 23, und die Stützstruktur 23 gelangt in einen axialen Anschlagkontakt mit der die zweite Feder 22 abstützenden Bodenstruktur 5 des Ventilgehäuses 4.
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Die Bodenstruktur 5 kann durch eine Ringstruktur ersetzt werden, die vom Innenumfang des Ventilgehäuses 4 nur soweit nach radial innen ragt, dass sie die zweite Feder 22 abstützen und den axialen Anschlag für die Stützstruktur 23 bilden kann. Eine weitestgehend geschlossene Bodenstruktur, die lediglich eine Lüftungsbohrung aufweist, schützt das Steuerventil jedoch besser gegen den Eintrag von Schmutz aus der Umgebung. Die vergleichsweise dünne Lüftungsbohrung sorgt lediglich dafür, dass der die zweite Feder 22 aufnehmende Ventilraum an der Rückseite der Stützstruktur 23 Druck mit der Umgebung ausgleichen kann. Die Stützstruktur 23 ist ebenfalls mit einer Lüftungsbohrung versehen um den Ventilraum, in dem die erste Feder 21 wirkt, ebenfalls im Druck mit der Umgebung auszugleichen.
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Zur Konstruktion sei noch angemerkt, dass die erste Feder 21 in einen Hohlraum 15 des Ventilkolbens 10 ragt. Der Kolbenhohlraum 15 erstreckt sich axial durch den Steuerabschnitt 11 und in, im Ausführungsbeispiel durch, den Kolbenabschnitt 12. Die erste Feder 21 wird im Kolbenhohlraum 15 durch den Ventilkolben 10 axial geführt. Ein axial langer Kolbenhohlraum 15 ermöglicht es insbesondere, die erste Feder 21 mit einer entsprechend langen Federlänge auszuführen. Bei gegebenen Federweg ist eine Vergrößerung der Federlänge insbesondere für Ausführungen günstig, in denen die erste Feder 21 im drucklosen Ausgangszustand unter einer kleineren Federvorspannung als die zweite Feder 22 stehen oder eine kleinere Federkonstante als die zweite Feder 22 aufweisen soll.
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Die Federeinrichtung 20 mit erster Feder 21 und zweiter Feder 22 eröffnet Freiheiten in Bezug auf die Steuerung des Bewegungsablaufs des Ventilkolbens 10 in Abhängigkeit vom Druck des Druckfluids am Druckanschluss P. Die Drücke, die überschritten werden müssen, um die erste Kolbenposition und die zweite Kolbenposition zu erreichen, können präziser als mit nur einer Feder vorgegeben werden. Insbesondere kann der zweite Druck, bei dessen Überschreiten die zweiten Düsen 3 mit dem Druckanschluss P verbunden werden, recht genau vorgegeben werden.
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Der für den Anschluss der ersten Düse 2 zu überschreitende erste Druck wird durch die Federeinrichtung 20 vorgegeben, insbesondere durch die Federvorspannkraft, unter der die erste Feder 21 und/oder die zweite Feder 22 im drucklosen Zustand steht oder stehen. Die Federn 21 und 22 können in Bezug auf ihre Federvorspannkraft und/oder ihre Federkonstante insbesondere so aufeinander abgestimmt sein, dass eine der Federn 21 und 22, beispielsweise die erste Feder 21, einfedert, d. h. elastisch nachgibt, bevor die andere Feder nachgibt. Die Federn 21 und 22 können aufeinander ferner so abgestimmt sein, dass eine der Federn, beispielsweise die erste Feder 21, über ihren gesamten, konstruktiv vorgegebenen Federweg einfedert, bevor die andere Feder nachgibt. Der Federweg der ersten Feder 21 entspricht der axialen Wegstrecke, die der Ventilkolben 10 relativ zur Stützstruktur 23 zurücklegen kann, bevor er mit der Stützstruktur 23 axial in einen Anschlagkontakt gelangt. Der Federweg der zweiten Feder 22 ist die axiale Wegstrecke, welche die Stützstruktur 23 relativ zum Ventilgehäuse 4 zurücklegen kann, bevor sie in einen axialen Anschlagkontakt mit dem Ventilgehäuse 4, nämlich der Bodenstruktur 5, gelangt.
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Die Federn 21 und 22 können dementsprechend so aufeinander abgestimmt sein, dass die zweite Feder 22 erst dann einfedert, wenn der am Druckanschluss P herrschende, auf den Ventilkolben 10 wirkende Druck den im Vergleich zum ersten Druck höheren zweiten Druck überschreitet. Zum Erhalt einer ausgeprägten Druckstufe kann die Abstimmung so sein, dass die zweite Feder 22 erst dann einfedert, wenn der Ventilkolben 10 unter dem auf ihn wirkenden Druck des Druckfluids in einen axialen Anschlag mit der Stützstruktur 23 gelangt ist, die erste Feder 21 also maximal eingefedert ist. In Umkehrung dieser Verhältnisse kann bei Überschreiten des ersten Drucks zunächst auch nur die zweite Feder 22 einfedern, bevor die Feder 21 einfedert. Hierbei kann die Abstimmung so erfolgen, dass die Feder 22 maximal einfedert, die Stützstruktur 23 also auf Anschlag mit der Bodenstruktur 5 gelangt, bevor ein Einfedern der Feder 21 einsetzt. Nach einem maximalen Einfedern sollte die jeweilige Feder 21 und 22 noch nicht auf Block liegen.
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Eine vorteilhafte, gleichwohl nur beispielhafte Druck-Bewegungssteuerung kann wie folgt gestaltet sein:
- Im drucklosen Ausgangszustand nimmt der Ventilkolben 10 die in den 6 und 8 gezeigte erste Endposition ein, in der sowohl die ersten Anschlussöffnungen A als auch die zweiten Anschlussöffnungen B vom Druckanschluss P getrennt sind. Steigt der Druck bis wenigstens auf den ersten Druck, bewegt sich der Ventilkolben gegen die Federkraft der Federeinrichtung 20 in Richtung auf die zweite Endposition. Wird der erste Druck überschritten, fährt der Steuerabschnitt 11 aus der vollständigen Überdeckung mit den ersten Arbeitsanschlüssen A, bis der Ventilkolben 10, ausreichend hoher Druck vorausgesetzt, in Anschlagkontakt mit der Stützstruktur 23 gelangt. Im Anschlagkontakt sind die Anschlussöffnungen A vom Steuerabschnitt 11 vollkommen frei, die Anschlussöffnungen B werden jedoch noch vollständig überdeckt und dadurch vom Druckanschluss P getrennt. Druckfluid wird somit den ersten Düsen 2, nicht jedoch den zweiten Düsen 3 zugeführt.
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Im Beispiel wird angenommen, dass die zweite Feder 22 im drucklosen Ausgangszustand unter einer Federspannung steht, die so groß ist, dass die zweite Feder 22 die Stützstruktur 23 vor Überschreiten des zweiten Drucks im Anschlagkontakt mit dem Anschlag 9 des Ventilgehäuses 4 hält und in der ersten Phase der Kolbenbewegung nur die erste Feder 21 einfedert.
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Steigt der Druck am Druckanschluss P über den zweiten Druck, der im angenommenen Beispielfall durch die zweite Feder 22, das heißt durch deren Federvorspannung, vorgegeben wird, federt auch die zweite Feder 22 ein. Der Ventilkolben 10 und die Stützstruktur 23 bilden eine in sich axial steife Bewegungseinheit, die sich unter dem Druck des Druckfluids gegen die Federkraft der zweiten Feder 22 in Richtung auf die zweite Endposition bewegt. In dieser zweiten Bewegungsphase fährt der Steuerabschnitt 11 aus der vollständigen Überdeckung mit den zweiten Arbeitsanschlüssen B und gibt diese zunehmend frei. Der Ventilkolben 10 bewegt sich somit in die zweite Kolbenposition, d. h. er durchfährt ein Kontinuum von zweiten Kolbenpositionen, in der bzw. in denen jeweils die zweiten Anschlussöffnungen B zunächst teilweise und schließlich vollständig vom Steuerabschnitt 11 freikommen und mit dem Druckanschluss P verbunden sind. Die Arbeitsanschlüsse A bleiben wie bereits erwähnt mit dem Druckanschluss P verbunden. In der zweiten Kolbenposition bzw. beim Durchfahren jeder der zweiten Kolbenpositionen, wird das Druckfluid sowohl den ersten Düsen 2 als auch den zweiten Düsen 3 zugeführt.
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Die 9 bis 13 zeigen das Steuerventil des Düsenkopfs 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Funktionsgleiche Komponenten des Steuerventils sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel weist der Ventilkolben 10 an seiner dem Druckanschluss P zugewandten Stirnseite einen Kolbenhohlraum 16 auf, der sich zum Druckanschluss P öffnet, und mit dem Druckanschluss P verbunden ist. Der Ventilkolben 10 umfasst wie im ersten Ausführungsbeispiel einen Steuerabschnitt 11, der dem Steuerabschnitt 11 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, ferner einen im Führungseingriff mit dem Führungsabschnitt 7 des Ventilgehäuses 4 befindlichen Führungsabschnitt 13 und zwischen den Kolbenabschnitten 11 und 13 einen axial zurückstehenden, d. h. schlankeren, Kolbenabschnitt 12. Zwischen dem Ventilkolben 10 und dem Ventilgehäuse 4 verbleibt um den Kolbenabschnitt 12 ein ringförmiger Freiraum 8, der sich wie im ersten Ausführungsbeispiel bis zum Steuerabschnitt 11 erstreckt.
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Der zentrale, stromaufwärtige Kolbenhohlraum 16 ist über eine Fluidverbindung 17 mit dem Freiraum 8 verbunden. Die Fluidverbindung 17 wird durch mehrere Durchgänge gebildet, die sich durch eine den Kolbenhohlraum 16 umgebende Umfangswand des Ventilkolbens 10 erstrecken und den Kolbenhohlraum 16 mit dem Freiraum 8 verbinden.
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Wird dem Steuerventil am Druckanschluss P Druckfluid zugeführt, strömt das Druckfluid durch den Durchgang 18 der Anschlagstruktur 19 in den Kolbenhohlraum 16, der sich in axialer Flucht zum Durchgang 18 erstreckt, und gelangt durch die Fluidverbindung 17 in den Freiraum 8, der den Ventilkolben 10 axial zwischen dem Kolbensteuerabschnitt 11 und dem Kolbenführungsabschnitt 13 umgibt. Der Ventilkolben 10 und das Ventilgehäuse 4 können wie im Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise so gestaltet sein, dass das Druckfluid im Freiraum 8 auf den Ventilkolben 10 keine resultierende Axialkraft ausüben kann, der Ventilkolben 10 also in Bezug auf den Freiraum 8 druckbalanciert ist.
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Von den erläuterten Unterschieden und den aus den Figuren ersichtlichen geometrischen Unterschieden abgesehen, entspricht das Steuerventil des zweiten Ausführungsbeispiels dem Steuerventil des ersten Ausführungsbeispiels, so dass die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel auch für das zweite Ausführungsbeispiel gelten.
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Die 14 bis 17 zeigen ein Steuerventil eines dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. In 14 ist das Steuerventil in einer Seitenansicht und in 15 in einer Stirnansicht auf den Druckanschluss P dargestellt. 16 zeigt das Steuerventil im Längsschnitt A-A der 14, und 17 zeigt das Steuerventil im Längsschnitt B-B der 15. Das Steuerventil des dritten Ausführungsbeispiels ist gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen vereinfacht. Soweit die Komponenten des dritten Ausführungsbeispiels der Funktion nach Komponenten der vorherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, werden die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen verwendet.
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Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen weist das Steuerventil eine Federeinrichtung 25 mit nur einer einzigen Feder auf. Das Steuerventil hat ferner nur einen ersten Arbeitsanschluss A für den Anschluss einer ersten Düse 2 und einen zweiten Arbeitsanschluss B für den Anschluss einer zweiten Düse 3.
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Der Längsabschnitt der 16 erstreckt sich durch den im dritten Ausführungsbeispiel einzigen Arbeitsanschluss A. Der Längsabschnitt der 17 erstreckt sich durch den einzigen zweiten Arbeitsanschluss B. Die Anschlussöffnungen der Arbeitsanschlüsse A und B sind in den 16 und 17 ebenfalls mit A und B bezeichnet. Die Arbeitsanschlüsse A und B und Anschlussöffnungen A und B sind wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen sowohl axial als auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt. Die erste Anschlussöffnung A ist wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel dem Druckanschluss P näher als die zweite Anschlussöffnung B.
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Das Steuerventil weist ein Ventilgehäuse 4 mit einem Gehäusehohlraum 6 und einen im Gehäusehohlraum 6 zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition axial hin und her beweglichen Ventilkolben 10 auf. Die erste Endposition, die der Ventilkolben 10 in den 16 und 17 einnimmt, wird wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen durch Anschlagkontakt mit einer Anschlagstruktur 19 bestimmt, die mit dem Ventilgehäuse 4 unbeweglich gefügt ist. Die Anschlagstruktur 19 weist einen zentralen Durchgang 18 auf, der wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen unmittelbar mit dem Druckanschluss P verbunden ist.
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Die zweite Endposition wird durch axialen Anschlagkontakt des Ventilkolbens 10 an einen Boden des Ventilgehäuses 4 vorgegeben. Die Federeinrichtung 25 ist an diesem Boden abgestützt und wirkt wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen in Richtung auf die erste Endposition auf den Ventilkolben. Sie ragt in einen vom Druckanschluss P aus gesehen rückwärtigen Kolbenhohlraum 15, der sich axial durch den Steuerabschnitt 11 in den schlankeren Kolbenabschnitt 12 erstreckt.
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Der Ventilkolben 10 entspricht dem Ventilkolben des zweiten Ausführungsbeispiels insbesondere darin, dass am Druckanschluss P zugeführtes Druckfluid durch den Durchgang 18 axial in den zum Druckanschluss P offenen Kolbenhohlraum 16 und von dort durch die Fluidverbindung 17 in den ringförmigen äußeren Freiraum 18 strömt. Vorteilhaft ist, dass der Ventilkolben 10 wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen im axialen Bereich des Steuerabschnitts 11 und im axialen Bereich des vom Steuerabschnitt 11 axial beabstandeten Führungsabschnitts 13 jeweils in einem axialen Führungseingriff mit dem Ventilgehäuse 4 ist und zwischen den beiden Kolbenabschnitten 11 und 13 am Außenumfang des Ventilkolbens 10 der ringförmige Freiraum 8 verbleibt, der die Anschlussöffnungen A und B mit dem Druckanschluss P verbindet, wenn der Ventilkolben 10 die entsprechende Kolbenposition einnimmt.
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Im drucklosen Ausgangszustand trennt der Ventilkolben 10, wie in den 16 und 17 zu erkennen ist, sowohl die Anschlussöffnung A als auch die Anschlussöffnung B vom Druckanschluss P. Überschreitet der Druck am Druckanschluss P den durch die Federeinrichtung 25 vorgegebenen ersten Druck, bewegt sich der Kolben in Richtung auf die zweite Endposition und erreicht bei dieser Bewegung wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen die erste Kolbenposition. In der ersten Kolbenposition ist die erste Anschlussöffnung A zumindest teilweise vom Steuerabschnitt 11 des Ventilkolbens 10 frei und daher mit dem Druckanschluss P verbunden. Die zweite Anschlussöffnung B trennt der in der ersten Kolbenposition befindliche Ventilkolben 10 noch vom Druckanschluss P. Druckfluid wird nur der angeschlossenen ersten Düse zugeführt.
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Überschreitet der Druck am Druckanschluss P den zweiten Druck, bewegt sich der Ventilkolben 10 gegen die Federkraft der Federeinrichtung 25 weiter in Richtung auf die zweite Endposition. Im Verlauf der Bewegung fährt der Steuerabschnitt 11 über die zweite Anschlussöffnung B hinweg und gibt diese zumindest teilweise und spätestens bei Erreichen der zweiten Endposition gänzlich frei. In der bei dieser Bewegung erreichten zweiten Kolbenposition ist auch die zweite Anschlussöffnung B mit dem Druckanschluss P verbunden, so dass Druckfluid auch zu der angeschlossenen zweiten Düse gelangt. In der zweiten Kolbenposition sind beide Anschlussöffnungen A und B mit dem Druckanschluss P verbunden, so dass Druckfluid zu beiden angeschlossenen Düsen geführt und durch diese abgeben wird.
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Der zum Erreichen der ersten Kolbenposition zu überschreitende erste Druck wird im Wesentlichen durch die Federvorspannkraft vorgegeben, unter der die Federeinrichtung 25 bzw. Feder 25 im drucklosen Ausgangszustand des Steuerventils steht. Der zum Erreichen der zweiten Kolbenposition zu überschreitende zweite Druck wird in einem größeren Ausmaß als in den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht durch eine Federvorspannkraft vorgegeben, sondern auch durch die Federkonstante der Federeinrichtung 25 und die Länge des aus der ersten Endposition bis in die zweite Kolbenposition zurückzulegenden Wegs bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Düsenkopf
- 2
- erste Düse
- 3
- zweite Düse
- 4
- Ventilgehäuse
- 5
- Gehäuseboden
- 6
- Gehäusehohlraum
- 7
- Führungsabschnitt
- 8
- Freiraum
- 9
- Anschlag
- 10
- Ventilkolben
- 11
- Steuerabschnitt
- 12
- Kolbenabschnitt
- 13
- Führungsabschnitt
- 14
- Abflachung
- 14a
- Fluidverbindung
- 15
- Kolbenhohlraum
- 16
- Kolbenhohlraum
- 17
- Fluidverbindung
- 18
- Durchgang
- 18a
- freier Teilquerschnitt
- 19
- Anschlag
- 20
- Federeinrichtung
- 21
- erste Feder
- 22
- zweite Feder
- 23
- Stützstruktur
- 24
- -
- 25
- Federeinrichtung, Feder
- A
- Arbeitsanschluss, Anschlussöffnung
- B
- Arbeitsanschluss, Anschlussöffnung
- L
- Längsachse
- P
- Druckanschluss
