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Die Erfindung betrifft ein Kugelventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Kugelventil ist insbesondere als Schalt- oder Steuerventil einsetzbar, beispielsweise in einer Komponente eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind bereits als Kugelventile ausgeführte Schalt- oder Steuerventile bekannt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 223 166 A1 ist beispielhaft ein Kraftstoffinjektor mit einem 2/2-Wege-Steuerventil bekannt, das als Kugelventil ausgelegt ist und über einen Magnetaktor betätigbar ist. Bei deaktiviertem Magnetaktor wird ein kugelförmiges Steuerventilelement des Steuerventils von der Druckkraft einer Feder gegen einen Ventilsitz gedrückt. Als Druckübertragungsglied dient ein Ankerelement, das zwischen der Feder und den Steuerventilelement angeordnet ist. Bei aktiviertem Magnetaktor wird das Ankerelement entgegen der Federkraft der Feder in Richtung des Magnetaktors gezogen, wobei das Steuerventil öffnet. Bei geöffnetem Steuerventil besteht eine Verbindung eines Steuerraums über eine Ablaufdrossel mit einem Rücklauf, so dass eine Entlastung des Steuerraums bewirkt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 101 31 619 A1 geht beispielhaft ein Kraftstoffinjektor mit einem als Kugelventil ausgebildeten 3/2-Wege Steuerventil zur Entlastung eines Steuerraums hervor. Aufgrund des Einsatzes eines 3/2-Wege-Steuerventils kann der Steuerraum über zwei Drosselelemente entlastet werden, die in Zulaufrichtung als Zulaufdrosseln zum Steuerraum schaltbar sind. Das Kugelventil weist hierzu einen kugelförmig konfigurierten Steuerventilkörper sowie ein mit dem Steuerventilkörper wirkverbundenes Übertragungselement auf, mittels dessen der Steuerventilkörper in einen ersten Ventilsitz und in einen dem ersten Ventilsitz gegenüberliegenden zweiten Ventilsitz stellbar ist.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kugelventil mit einem zwischen zwei Ventilsitzen hin und her beweglichen Schließelement anzugeben, das eine gesteigerte Robustheit aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Kugelventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Kugelventil mit einem kugelförmigen Schließelement, das zwischen einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz hin und her beweglich in einem Gehäuse oder Körper aufgenommen und mittels eines Betätigungselements betätigbar ist. Das Betätigungselement ist in zwei einander entgegengesetzten Richtungen mit dem kugelförmigen Schließelement wirkverbunden, so dass mittels des Betätigungselements sowohl Druckkräfte als auch Zugkräfte auf das kugelförmige Schließelement übertragbar sind. Erfindungsgemäß ist das kugelförmige Schließelement gegenüber dem Betätigungselement drehbeweglich.
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Aufgrund der Drehbeweglichkeit des kugelförmigen Schließelements variieren die Bereiche, die zum Dichten in Kontakt mit dem jeweiligen Ventilsitz gelangen, so dass der Verschleiß in diesen Bereichen verringert wird. In der Folge steigt die Robustheit des Kugelventils. Die Drehbeweglichkeit des kugelförmigen Schließelements erleichtert zudem ein Ausrichten der Kugel in Bezug auf den jeweiligen Ventilsitz, so dass eine Selbstzentrierung und damit eine erhöhte Dichtheit erreichbar sind. Die Selbstzentrierung der Kugel wirkt sich zudem verschleißmindernd aus.
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Die Wirkverbindung des Betätigungselements mit dem kugelförmigen Schließelement muss demnach dergestalt sein, dass sie zum einen die Übertragung von Druck- und Zugkräften ermöglicht, zum anderen eine Drehbewegung des kugelförmigen Schließelements gegenüber dem Betätigungselement zulässt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das kugelförmige Schließelement auf dem Betätigungselement drehbeweglich gelagert ist. Über die Funktion des Drehlagers ist eine Wirkverbindung des Betätigungselements mit dem kugelförmigen Schließelement herstellbar, die in einer Richtung parallel zur Drehachse des kugelförmigen Schließelements eine Kraftübertragung ermöglicht, so dass sowohl Druckkräfte, als auch Zugkräfte über das Betätigungselement auf das kugelförmige Schließelement übertragbar sind.
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Vorteilhafterweise ist das kugelförmige Schließelement unter Einhaltung eines radialen und/oder eines axialen Spiels auf dem Betätigungselement drehbeweglich gelagert.
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Das radiale Spiel erlaubt Bewegungen des kugelförmigen Schließelements in radialer Richtung, so dass dieses sich leichter in Bezug auf einen Ventilsitz ausrichten kann. Ferner kann das kugelförmige Schließelement eine leichte Kipplage gegenüber dem Betätigungselement einnehmen, so dass die zum Dichten in Kontakt mit den Ventilsitzen gelangenden Bereiche weiter variieren und der Verschleiß weiter gemindert wird.
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Das axiale Spiel verhindert einen Klemmsitz des kugelförmigen Schließelements auf dem Betätigungselement, so dass durch das axiale Spiel die Drehbeweglichkeit des kugelförmigen Schließelements unterstützt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Betätigungselement zumindest abschnittsweise stangenförmig ausgeführt ist und einen gegenüber einem stangenförmigen Abschnitt radial überstehenden Endabschnitt aufweist, der das kugelförmige Schließelement hintergreift oder von dem kugelförmigen Schließelement zumindest abschnittsweise umgriffen wird. Das heißt, dass zwischen dem Betätigungselement und dem kugelförmigen Schließelement ein Formschluss herstellbar ist, der in einer Richtung parallel zur Drehachse des kugelförmigen Schließelements wirksam ist, so dass über das Betätigungselement Druck- und/oder Zugkräfte auf das kugelförmige Schließelement übertragbar sind.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass im kugelförmigen Schließelement eine Ausnehmung zur abschnittsweisen Aufnahme des Betätigungselements ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Ausnehmung als Durchgangsbohrung oder als Sackloch ausgeführt ist. Die Durchgangsbohrung ermöglicht ein Durchstecken des Betätigungselements, so dass vorzugsweise ein radial überstehender Endabschnitt des Betätigungselements das kugelförmige Schließelement hintergreift. Das Sackloch dagegen ermöglicht eine Aufnahme des Betätigungselements, bei welcher ein radial überstehender Endabschnitt des Betätigungselements von dem kugelförmigen Schließelement umgriffen wird.
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Bevorzugt ist das Betätigungselement über mindestens einen, vorzugsweise ringförmigen Absatz außen am kugelförmigen Schließelement abstützbar. Die Abstützung ermöglicht die Übertragung von Druck- oder Zugkräften. Sofern das Betätigungselement das kugelförmige Schließelement durchgreift, sind zur Übertragung von Druck- und Zugkräften zwei Absätze am Befestigungselement vorzusehen, die zur Abstützung bzw. Kraftübertragung an zwei sich gegenüberliegenden Seiten in Kontakt mit dem kugelförmigen Schließelement bringbar sind. Sofern das Betätigungselement einen in einem Sackloch des kugelförmigen Schließelements aufgenommen Endabschnitt aufweist, kann die zur Kraftübertragung erforderliche Abstützung des Betätigungselements über die das Sackloch begrenzenden Innenwandflächen des kugelförmigen Schließelements erfolgen.
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Ferner bevorzugt ist das Betätigungselement mit einem Aktor wirkverbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Piezoaktor oder einen Magnetaktor handeln. Über die Wirkverbindung des Betätigungselements mit dem Aktor kann bei Aktivierung des Aktors eine Bewegung des Betätigungselements bewirkt werden, so dass dieses zur kraftübertragenden Anlage am kugelförmigen Schließelement gelangt. Das kugelförmige Schließelement wird dann vom Betätigungselement gezogen oder gedrückt.
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Sofern der Aktor als Magnetaktor ausgebildet ist, ist vorzugsweise das Betätigungselement mit einem Magnetanker verbunden oder als Magnetanker ausgeführt. Der Magnetanker stellt die Wirkverbindung des Betätigungselements mit dem Aktor her.
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Um nach einer Aktivierung des Aktors in einfacher Weise eine Rückstellung des Betätigungselements zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das Betätigungselement mittels einer Feder axial vorgespannt ist. Die Feder ist dabei in Bezug auf das kugelförmige Schließelement bevorzugt auf der gleichen Seite wie der Aktor angeordnet. Auf diese Weise kann das Kugelventil besonders kompaktbauend ausgeführt werden. Ferner können die Anschlüsse einfacher realisiert werden.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Kugelventil ein 3/2-Wegeventil, so dass es als Steuerventil in einem Kraftstoffinjektor zur Entlastung eines Steuerraums einsetzbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kugelventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch erfindungsgemäßes Kugelventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Kugelventil bildet ein 3/2-Wegeventil aus. Es weist drei Anschlüsse P, A, T sowie ein zwischen einem ersten Ventilsitz 3 und einem zweiten Ventilsitz 4 hin und her bewegliches kugelförmiges Schließelement 2 auf.
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Das kugelförmige Schließelement 2 weist eine Ausnehmung 8 auf, durch welche ein Betätigungselement 5 hindurchgeführt ist. Das Betätigungselement 5 weist im Bereich der Ausnehmung 8 einen stangenförmigen Abschnitt 6 mit einem reduzierten Außendurchmesser auf. An den stangenförmigen Abschnitt 6 schließt ein Endabschnitt 7 an, der gegenüber dem stangenförmigen Abschnitt 6 radial übersteht und das kugelförmige Schließelement 2 hintergreift.
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Andernends ist das Betätigungselement 5 mit einem Magnetanker 11 verbunden, der vorliegend als Flachanker ausgeführt ist. Als Aktor 12 dient ein Magnetaktor mit einer in einem Magnetkern 14 aufgenommenen Magnetspule 15.
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Wird die Magnetspule 15 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Magnetanker 11 einschließlich des Betätigungselements 5 in Richtung des Magnetkerns 14 zieht, um einen Arbeitsluftspalt 16 zu schließen. Dabei gelangt das Betätigungselement 5 über einen ringförmigen Absatz 10 zur Anlage am kugelförmigen Schließelement 2 und zieht dieses aus dem Ventilsitz 3. Auf diese Weise wird eine Verbindung der Anschlüsse A und T hergestellt. Mit fortlaufendem Hub des Betätigungselements 5 erreicht das kugelförmige Schließelement 2 den Ventilsitz 4, so dass die Verbindung zwischen den Anschlüssen P und A getrennt wird.
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Aufgrund eines radialen Spiels SR und eines axialen Spiels SA zwischen dem Betätigungselement 5 und dem kugelförmigen Schließelement 2 kann sich das kugelförmige Schließelement 2 optimal in Bezug auf die beiden Ventilsitze 3, 4 ausrichten. Ferner kann es eine Drehbewegung (siehe Pfeil 17) sowie eine leichte Kippbewegung gegenüber dem Betätigungselement 5 ausführen. Dadurch variieren die am kugelförmigen Schließelement 2 zum Dichten ausgebildeten Bereiche, die in Kontakt mit den Ventilsitzen 3, 4 gelangen. In der Folge reduziert sich der Verschleiß am kugelförmigen Schließelement 2 und die Robustheit des Kugelventils steigt.
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Wir die Bestromung der Magnetspule 15 beendet, wird das Betätigungselement 5 mittels einer Feder 13 in seine Ausgangslage zurückgestellt. Dabei gelangt ein weiterer ringförmiger Absatz 9 zur Anlage am kugelförmigen Schließelement 2, so dass dieses aus dem Ventilsitz 4 gehoben und in den Ventilsitz 3 zurückgestellt wird. Aufgrund des radialen Spalts SR und des axialen Spalts SA kann auch in Bezug auf den Ventilsitz 3 eine optimale Ausrichtung des kugelförmigen Schließelements 2 bewirkt werden. Ferner variieren die in Kontakt mit dem Ventilsitz 3 gelangenden Bereiche, so dass der Verschleiß gemindert wird.
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Das Kugelventil der 1 ist in einem Gehäuse oder Körper 1 ausgebildet, wobei es sich beispielsweise um einen Injektorkörper handeln kann. Das Kugelventil kann in diesem Fall als Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegung einer Injektornadel eingesetzt werden. Darüber hinaus ist eine Vielzahl anderer Anwendungen möglich.
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Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelventils zu entnehmen. Auch hier ist das kugelförmige Schließelement 2 drehbar auf dem Betätigungselement 5 gelagert. Die der Aufnahme des Betätigungselements 5 dienende Ausnehmung 8 ist jedoch als Sackloch ausgeführt, so dass das kugelförmige Schließelement 2 den Endabschnitt 7 des Betätigungselements 5 umgreift. Die Abstützung des Betätigungselements 5 am kugelförmigen Schließelement 2 erfolgt demnach nicht außen, sondern innen, und zwar über die das Sackloch begrenzenden Innenwandflächen. Entsprechend kann auf die Ausbildung ringförmiger Absätze 9, 10 verzichtet werden.
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Im Übrigen ist das Kugelventil der 2 analog dem der 1 aufgebaut, so dass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen werden kann. Insbesondere weist auch das Kugelventil der 2 ein radiales Spiel SR sowie ein axiales Spiel SA zwischen dem Betätigungselement 5 und dem kugelförmigen Schließelement 2 auf, so dass vorstehend beschriebenen Vorteile eintreten.
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Die Erfindung ist nicht auf die beiden dargestellten Ausführungen beschränkt, sondern schließt auch Abwandlungen mit ein. Diese können beispielsweise die konkrete Ausführung und/oder Anordnung des Aktors 12 sowie die konkrete Ausführung der Ventilsitze 3 und 4 betreffen. Darüber hinaus kann auch das Betätigungselement 5 anders gestaltet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012223166 A1 [0003]
- DE 10131619 A1 [0004]
