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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht von einem Ventil
zum Steuern eines Fluids gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
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Ein derartiges Ventil ist aus der
Praxis bekannt und beispielsweise als Einspritzventil bei einem
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges oder auch als Gassteuerventil
bei einer Brennstoffzelle einsetzbar.
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Das bekannte Ventil umfaßt ein Ventilgehäuse, in
dem ein Ventilschließglied
axial verschieblich geführt
ist, das mit einer elektromagnetischen Betätigungseinheit in Wirkverbindung
steht. Das Ventilschließglied
dient zur Steuerung eines Fluidstroms von einer Zuströmseite zu
einer Abströmseite
und wirkt hierzu mit einem Ventilsitz zusammen. Die Zu strömseite des
Ventils ist mit einem das Ventilschließglied umgebenden Druckbereich
verbunden. Beim Öffnen
des Ventilschließglieds
erfolgt ein Fluidstrom von diesem Druckbereich durch eine Öffnung einer Ventilplatte
in Richtung der Abströmseite
des Ventils.
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Bei einem als Kraftstoffeinspritzventil
einer Brennkraftmaschine ausgebildeten Ventil hat das Ventilschließglied an
seiner Stirnseite einen kugelförmigen,
aus einem Vollmaterial hergestellten Schließkörper, der mit einem aus einem
Drehteil hergestellten Kegelsitz zusammenwirkt. Dem Kegelsitz ist
eine Ventilplatte nachgeordnet, die eine sogenannte Spritzlochscheibe
darstellt, über
die der Kraftstoff bzw. das Benzin in einen Brennraum der Brennkraftmaschine
eingesprüht
wird. Zwischen dem Ventilsitz und der Spritzlochscheibe liegt hierbei
ein Totvolumen vor, das bisweilen einer guten Zerstäubung des Kraftstoffes
entgegenwirken kann. Das Totvolumen zwischen dem Dichtsitz und der
Spritzlochscheibe führt
des weiteren zu einer schlechten Ventildynamik und einer ungewünschten
Verdampfung des Kraftstoffes in einem Saugrohr, in dem das Ventil
in der Regel angeordnet ist. Ferner sind zum Öffnen des Ventilschließglieds
große
Kräfte
erforderlich, da eine große
Differenz zwischen dem Druck, der in dem das Ventilschließglied umgebenden
Druckbereich herrscht, und dem an der Stirnseite des Ventilschließglieds
angreifenden Druck vorliegt.
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Bei einem als Gasventil ausgebildeten
Ventil ist an der Stirnseite des Ventilschließglieds üblicherweise ein Dichtbund
ausgebildet, der bei geschlossenem Ventilschließglied auf eine Dichtplatte
aufsetzt und eine zylindrische Bohrung der Dichtplatte umgibt. Die
Bohrung führt
zu einem Totvolumenraum der Dichtplatte, dem eine Düse nachgeordnet
ist, die zu der Abströmseite
führt.
Wie auch bei dem Benzineinspritzventil herrscht bei geschlossenem
Ventilschließglied
zwischen dem das Ventilschließglied umgebenden
Druckbereich und dem an die Stirnseite des Ventilschließglieds
grenzenden Ventilraum eine große
Druckdifferenz, so daß die
zum Öffnen
des Ventilschließglieds
erforderliche Magnetkraft groß ausgelegt
sein muß.
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Ferner haben Gase, wie Wasserstoff
oder Methan, im Vergleich zu flüssigen
Kraftstoffen eine geringere Dichte. Daher ist bei Gasen häufig ein
wesentlich größerer Volumenstrom
erforderlich, so daß insbesondere
bei einem Gasventil eine große
Durchstromfläche
am Ventildichtsitz wünschenswert
ist. Hierbei ist zu beachten, daß der Ventilhub wegen der hohen
Dynamik des Ventils begrenzt ist, was zur Folge hat, daß der Dichtsitz
im wesentlichen hinsichtlich seines Durchmessers veränderbar
ist. Eine Vergrößerung des
Dichtsitzes führt
aber zu einer Erhöhung der
aufzubringenden Öffnungskraft
bzw. Magnetkraft, was wiederum einen erhöhten Stromverbrauch zur Folge
hat. Ferner kann der Durchmesser des Dichtsitzes aufgrund eines
häufig
beschränkten
Bauraums nicht beliebig groß gewählt werden.
Die Volumenströme
bzw. die Massenströme
des strömenden Gases
sind aus diesen Gründen
häufig
nicht hinreichend groß für die bei
Gasmotoren und Brennstoffzellenantrieben herrschenden Anforderungen.
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Das Ventil gemäß der Erfindung mit den Merkmalen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem an der Ventilplatte
Düsen ausgebildet
sind, die zu der Abströmseite
führen
und die mittels des Ventilschließglieds verschließbar sind,
hat bei Auslegung als Flüssigkeitsventil,
insbesondere als Kraftstoffeinspritzventil, den Vorteil, daß zwischen der
beispielsweise aus einer Spritzlochscheibe gebildeten Ventilplatte
und dem Dichtsitz kein Totvolumen vorliegt, was gegenüber einem
Ventil mit einem kugelförmigen
Schließkörper zu
einer besseren Zerstäubung
der gesteuerten Flüssigkeit
führt.
Ohne Totvolumen liegt ein gleichmäßiges Tropfenspektrum während des
gesamten Einspritzverlaufs vor.
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Auch kann der sogenannte Dynamic
Flow Range beim Öffnen
und beim Schließen
des Ventilschließglieds
linear gehalten werden, was sich hinsichtlich der Leistung des Ventils
ebenfalls als vorteilhaft erweist.
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Ferner ist der effektive Hub des
Ventilschließglieds
durch die Ausbildung des Ventilsitzes als Flachsitz identisch mit
dem tatsächlichen
Hub des Ventilschließglieds.
Auch tritt keine sogenannte Quetschfilmströmung an dem als Flachsitz ausgebildeten
Ventilsitz auf. Des weiteren kann durch das Fehlen eines aus einem
Vollmaterial hergestellten, kugelförmigen Schließkörpers ein
geringeres Gewicht des Ventilschließglieds erreicht werden, so
daß geringere
Kräfte
zum Öffnen
des Ventils aufgebracht werden müssen.
Damit erhöht
sich die Dynamik des Ventils.
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Die Ausbildung der Ventilplatte mit
mehreren Düsen
geringen Durchmessers hat den Vorteil einer feinen Zerstäubung der
gesteuerten Flüssigkeit.
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Der Begriff Fluid ist im vorliegenden
Fall in seiner weitesten Bedeutung zu verstehen. Das Fluid kann
mithin sowohl eine Flüssigkeit
als auch ein Gas darstellen.
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Bei einer Ausbildung des Ventils
nach der Erfindung als Gasventil kann auf eine der Ventilplatte nachgeschaltete
Düse und
damit auch auf einen stromab der Ventilplatte angeordneten Totvolumenraum
verzichtet werden. Das Fehlen eines Totvolumens stromab der Dichtplatte
führt gegenüber dem oben
beschriebenen, bekannten Gasventil zu einer erhöhten Ventildynamik. Die Ausbildung
der Düsen an
der Dichtplatte hat des weiteren gegenüber einer Dichtplatte mit einer
nachgeschalteten Düse
den Vorteil, daß eine
geringere Kraft zur Betätigung
des Ventilschließglieds
erforderlich ist.
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Das Ventil nach der Erfindung ist
insbesondere als Kraftstoff-Einspritzventil bei einer Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeuges oder auch zur Massenstromregelung von Gasen
wie Wasserstoff und Erdgas beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder
auch einem Gasmotor einsetzbar.
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Die Düsen, die bevorzugt entlang
einer Kreislinie angeordnet sind, sind bei einer vorteilhaften,
als Gasventil ausgelegten Ausführungsform
des Ventils zur Verbesserung des Strömungsverhaltens des Gases in
der Düse
jeweils mit einer abgerundeten Einströmkante versehen.
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Bei einem als Kraftstoffeinspritzventil
ausgelegten Ventil ist es vorteilhaft, wenn die Düsen jeweils eine
scharfe Einströmkante
haben und sich in Abströmrichtung
kontinuierlich aufweiten, wobei die Wandung der Düsen vorzugsweise
einen gewölbten Längsschnitt
hat. Insbesondere mit einer derartigen Formgebung läßt sich
eine große
Schergeschwindigkeit bei der zu steuernden Flüssigkeit erreichen, was zu
einer feinen Zerstäubung
der Flüssigkeit
in den Düsen
führt.
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Alternativ ist es bei einem Flüssigkeitsventil auch
denkbar, daß sich
die Düsen
jeweils in Strömungsrichtung
trichterförmig
verjüngen,
wobei die Wandung der Düsen
auch in diesem Falle einen gewölbten
Längsschnitt
haben kann.
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Bei der Auslegung des Ventils als
Kraftstoffeinspritzventil können
die Düsen
mit einem geringeren Durchmesser ausgelegt sein als bei der Steuerung eines
Gases. Bei der Steuerung von Benzin liegt der Durchmesser der Düsen beispielsweise
bei 90 μm. Bei
der Steuerung eines Gases liegt der Durchmesser beispielsweise im
Bereich von etwa 500 μm. Grundsätzlich wird
der Massenstrom in dem Ventil durch die Düsenflächen bestimmt. So kann das
Ventil nach der Erfindung durch einfaches Anpassen der Düsenanzahl
mittels Einbau einer Ventilplatte mit entsprechender Düsenzahl
als Einspritzventil für
unterschiedliche Brennkraftmaschinen mit einem unterschiedlichen
Kraftstoffbedarf eingesetzt werden. Es ist also bei einem neuen
Anwendungsfall nur erforderlich, die als Spritzlochscheibe (SLS)
ausgelegte Ventilplatte entsprechend zu modifizieren.
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Um bei einem Gasventil das aufgrund
des Druckstoßes
bei der Betätigung
des Ventilschließglieds
entstehende Geräusch
zu reduzieren, können hier
die Düsen
in einen Ringkanal münden,
der an der dem Ventilschließglied
abgewandten Seite der Ventilplatte angeordnet ist. Die Breite des
Ringkanals ist vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa das Zwei- bis Dreifache
des Düsendurchmessers
beträgt.
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Ein besonders guter Wirkungsgrad
hinsichtlich des Strömungsverhaltens
des Gases in den Düsen
kann erreicht werden, wenn die Höhe
des Ringkanals so ausgelegt ist, daß jeweils das Verhältnis der
Länge der
Düse zu
ihrem Durchmesser etwa 0,7 bis 1 beträgt.
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Um die Strömungsablösung an der Düseneinströmkante zu
reduzieren, kann insbesondere bei einem als Gasventil ausgelegten
Ventil nach der Erfindung eine Abrundung der Düseneinströmkante mit einem Krümmungsradius
von beispielsweise 0,050 mm vorgesehen sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
des Ventils nach der Erfindung arbeitet nach dem sogenannten Druckausgleichsprinzip.
Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Zuströmseite stromab mit einem inneren
und einem äußeren Druckbereich
verbunden ist, welche Druckbereiche stromauf des Ventilsitzes angeordnet
sind. Der innere Druckbereich umfaßt einen axialen Druckkanal
des Ventilschließglieds,
der an der freien Stirnseite des Ventilschließglieds austritt. Der äußere Druckbereich
umgibt das Ventilschließglied.
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Bei einem derartigen Ventil ist das
Ventilschließglied,
das stirnseitig eine als Ringfläche
ausgebildete, die mit den Düsen
zusammenwirkende Dichtfläche
aufweisen kann, mit geringem Kraftaufwand betätigbar, da bei dessen Öffnen in
dem inneren und dem äußeren Druckbereich
im wesentlichen der gleiche Druck herrscht und das Fluid aus beiden Druckbereichen
in Richtung der Düsen
strömt.
Dies hat den Vorteil, daß eine
insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit mit geringer
Leistung auslegbar ist. Auch läßt ein derartiges
Ventil hohe Massenströme
zu, da das Fluid sowohl von dem inneren Duckbereich als auch von
dem äußeren Druckbereich
aus in die Düsen
einströmt.
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Der innere Druckbereich und der äußere Druckbereich
können über mindestens
einen in dem Ventilschließglied
ausgebildeten Abströmkanal
verbunden sein. Der Abströmkanal
kann als im wesentlichen radial ausgerichtete Bohrung des Ventilschließglieds
ausgebildet sein, er kann aber auch mit einem bestimmten Anstellwinkel
in Strömungsrichtung
gegenüber
der Längsachse
des Ventilschließglieds
geneigt sein und von einer als Zufuhrkanal dienenden, axialen Bohrung
an die Außenseite
des Ventilschließglieds
führen.
Der Zufuhrkanal mündet
dann auch in eine axiale Bohrung gegebenenfalls verminderten Durchmessers,
die den inneren Druckbereich darstellt bzw. ein Teil dessen ist.
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Bei einem als Flüssigkeitsventil, beispielsweise
als Kraftstoffeinspritzventil, ausgelegten Ventil liegt der Hub
des Ventilschließglieds
vorzugsweise im Bereich zwischen 60 μm und 90 μm, wobei in dem inneren und
dem äußeren Druckbereich
ein Druck von beispielsweise 3 bar bis 4 bar herr schen kann. Wenn
sehr kleine Tropfen erzeugt werden sollen, d. h. wenn der sogenannte
Sauter Mean Diameter (SMD) sehr klein ist, kann der Druck auch zwischen 10
und 20 bar liegen. Die erforderliche Öffnungskraft ist hierbei wesentlich
kleiner als bei bisher bekannten Ventilen, da eine kleine Druckfläche vorliegt.
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Bei einem als Gasventil ausgelegten
Ventil beträgt
der Hub des Ventilschließglieds
vorzugsweise etwa 300 μm,
wobei der in dem inneren Druckbereich und dem äußeren Druckbereich herrschende Gasdruck
bei etwa 8 bar liegt.
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Die Ventilplatte bzw. Spritzlochplatte
des Ventils nach der Erfindung kann aus unterschiedlichen Materialien,
wie beispielsweise Stahl, PEEK mit Kohlefasern, einem Hartkunststoff
oder einer Keramik, hergestellt sein, und zwar beispielsweise nach einem Ätz-, einem
Erodier- oder einem Laserverfahren.
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Das Ventil nach der Erfindung kann
zur Dichtigkeitserhöhung
im Bereich des Ventilsitzes mindestens ein Dichtelement umfassen.
Dieses ist zweckmäßig an der
Dichtfläche
an der Stirnseite des Ventilschließglieds angeordnet und kann
eine oder auch mehrere Dichtlippen aufweisen. Das Dichtelement kann
aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So ist das Dichtelement
beispielsweise zur Steuerung einer Flüssigkeit entweder aus einem
Metall, beispielsweise aus gehärtetem
Stahl, oder auch aus einem Elastomer gebildet, das aus Fluorkohlenstoff-Kautschuk
oder Viton bestehen kann.
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Bei der Steuerung eines Gases ist
es vorteilhaft, das Dichtelement aus einem Elastomer zu bilden.
Bei einer Ausbildung des Dichtelements aus einem Elastomer verringern
sich des weiteren die auftretenden Prallkräfte, was wiederum zu einer
verringerten Geräuschentwicklung
führt.
Eine Ausbildung des Dichtelements aus einem geeigneten Metall kann
insbesondere erforderlich sein, wenn bei einem Elastomer eine zu
starke Quellung zu erwarten wäre.
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Das Dichtelement kann ringförmig ausgebildet
und an dem Ventilschließglied
an dessen Stirnseite in einer korrespondierenden Ringnut eingebettet
sein. Es kann mit zwei Dichtlippen versehen sein, von denen eine
am inneren Rand des Dichtrings angeordnet und damit dem inneren
Druckbereich zugeordnet und die andere am äußeren Rand des Dichtrings angeordnet
und damit dem äußeren Druckbereich
zugeordnet ist.
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Denkbar ist es auch, für jede der
Düsen eine kreisförmige Elastomerdichtscheibe
vorzusehen.
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Des weiteren kann das Ventil nach
der Erfindung einen als Anschlag für das Ventilschließglied dienenden
Sockel aufweisen. Dieser ist beispielsweise an der Ventilplatte
ausgebildet. Der Anschlag stellt einen Prallabfänger dar und begrenzt die Verformung des
beispielsweise elastomeren Dichtelements und damit dessen Verschleiß und definiert
den Luftspalt an einem zur Betätigung
des Ventilschließglieds
dienenden Magnetanker eindeutig. Bei einem in einer Nut eingebetteten
Dichtring mit Dichtlippen ist es denkbar, daß das Ventilschließglied selbst
einen Schutzring bzw. Prallabfänger
zur Schonung des Dichtrings bildet.
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Um in der Schließstellung des Ventilschließglieds
eine hohe Dichtigkeit zu gewährleisten,
können
an der Ventilplatte auch Schürzen
zur Auflage des Dichtelements ausgebildet sein. Diese Schürzen bilden
beispielsweise die Ränder
der Düsen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung,
der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Fünf
Ausführungsbeispiele
eines Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Bereichs II in 1;
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3 eine
ausschnittsweise Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils;
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4 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
eine Düse
eines Kraftstoffeinspritzventils;
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5 eine
alternative Ausführung
einer Düse
in einem vereinfachten Längsschnitt;
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6 einen
schematischen Schnitt durch ein Gasventil gemäß der Erfindung mit einer Düsenplatte
in einer ausschnittsweisen, perspektivischen Darstellung;
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7 eine
Aufsicht auf die Düsenplatte
des Gasventils nach 6;
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8 eine
ausschnittsweise geschnittene Ansicht einer alternative Ausführungsform
eines Gasventils mit einer Düsenplatte;
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9 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
einen Dichtbereich des Gasventils nach 8 in einer vergrößerten Darstellung; und
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10 eine 9 entsprechende Ansicht, jedoch
mit einem veränderten
Dichtbereich.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In den 1 und 2 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 10 zum
Einsatz bei einer Brennkraftmaschine eines hier nicht näher dargestellten
Kraftfahrzeuges dargestellt, das zur Steuerung eines Kraftstoffstroms von
einer Zuströmseite 11 zu
einer Abströmseite 12 dient,
wobei der Kraftstoff an der Abströmseite 12 in zerstäubter Form
austritt, wie anhand der punktierten Bereiche X in der Zeichnung
angedeutet ist.
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Das Einspritzventil 10 umfaßt ein mehrteiliges
Gehäuse 13,
in welchem eine Magnetspule 15 angeordnet ist, die eine
tiefgezogene Führungshülse 17 umgreift.
In der Führungshülse 17 ist
ein im wesentlichen rohrförmiger
Stopfen 19 fixiert, der zur Aufnahme einer als Vorspannfeder
wirkenden Spiralfeder 21 dient, an deren der Zuströmseite 11 abge wandten
Seite ein Magnetanker 14 anliegt, der in der Führungshülse 17 axial
verschiebbar geführt
ist.
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Der Magnetanker 14 ist rohrförmig ausgebildet
und bildet ein Ventilschließglied,
das stirnseitig mit einem einen Flachsitz darstellenden Ventilsitz 26 zusammenwirkt.
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Des weiteren umfaßt der Magnetanker 14 bzw.
das Ventilschließglied 14 eine
als Zufuhrkanal dienende erste Axialbohrung 16, die mit
der Zuströmseite 11 des
Einspritzventils 10 verbunden ist und einen Innenraum des
Ventilschließglieds 14 bildet.
Von der ersten Axialbohrung 16 zweigen vier über den Umfang
des Ventilschließglieds 14 verteilte
Radialbohrungen ab, von denen in der Zeichnung drei Bohrungen 18A, 18B und 18C dargestellt
sind und die zu einem sogenannten äußeren Druckbereich 20 führen, der
an die Außenseite
des Ventilschließglieds 14 grenzt
und von der Führungshülse 17 begrenzt
ist. In axialer Richtung mündet
die erste Axialbohrung 16 in eine zweite Axialbohrung 22,
deren Durchmesser geringer als der Durchmesser der ersten Axialbohrung 16 ist
und die an der freien Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 austritt.
Die zweite Axialbohrung 22 geringeren Durchmessers, die
eine axiale Abströmbohrung
darstellt, bildet einen sogenannten inneren Druckbereich bzw. ist
Teil desselben.
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Beim Öffnen des Ventilschließglieds 14 strömt Kraftstoff
aus der ersten Axialbohrung 16 über die vier radialen Abströmbohrungen
in den äußeren Druckbereich 20 und über die
axiale Abströmbohrung 22 an
die freie Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14.
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Der innere Druckbereich 22 und
der äußere Druckbereich 20 sind
stromauf des als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitzes 26 angeordnet,
der mit der freien Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 zusammenwirkt
und an einer als sogenannte Spritzlochscheibe dienenden Düsenplatte 28 ausgebildet ist,
die in der Führungshülse 17 beispielsweise über eine
Schweißverbindung
fixiert ist. Die Ventilplatte 28 ist aus Stahl gefertigt
und auf der Seite des Ventilschließglieds 14 eben.
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In der Düsenplatte 28 sind
entlang einer Kreislinie beispielsweise zehn gegenüber der
Längsachse
des Einspritzventils 10 leicht angestellte Düsen bzw.
Zumeßbohrungen 30 ausgebildet,
die zu einer kegelstumpfförmigen
Ausnehmung 31 der Ventilplatte 28 führen. Die
Düsen 30 haben
vorliegend jeweils einen Durchmesser von etwa 90 μm.
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An der Stirnseite 24 des
Ventilschließglieds 14 ist
ein Dichtring 36 in einer korrespondierenden Ausnehmung
des Ventilschließglieds 14 angeordnet. Der
Dichtring 36 ist aus Fluorkohlenstoff-Kautschuk gefertigt
und hat einen Durchmesser, der mit dem Durchmesser der Kreislinie
korrespondiert, entlang der die Düsen 30 derart angeordnet
sind, daß der Dichtring 36 die
Düsen 30 bei
geschlossenem Ventilschließglied 14 verschließt, wobei
dann nur die Fläche
der Düsen 30 mit
Außendruck
beaufschlagt ist. Diese Fläche
bestimmt die hydraulische Schließkraft des Ventils.
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Das Ventilschließglied 14, das etwa
einen Hub von 60 μm
bis 90 μm
hat, ist über
die gesamte Länge
seiner Mantelfläche 33 in
der Führungshülse 17 geführt.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform eines
Kraftstoffeinspritzventils 50 dargestellt, das weitgehend
dem Einspritzventil nach 1 entspricht,
sich von diesem aber dadurch unterscheidet, daß der Magnetanker 14 zwei
rohr- bzw. ringförmige Führungsbünde 55 und 56 aufweist, über die
der Magnetanker 14 in der Führungshülse 17 geführt ist.
Der erste Führungsbund 55 ist
in einem der Ventilplatte 28 entfernten Bereich der Mantelfläche 33 des
Ventilschließglieds 14 angeordnet.
Der zweite Führungsbund 56 ist
von einem Ringbund gebildet, der eine Stirnseite aufweist, die mit
der Stirnfläche 24 des Ventilschließglieds 14 fluchtet.
In dem Ringbund 56 sind axiale Bohrungen 57 ausgebildet,
die einen Kraftstoffstrom zwischen dem äußeren Druckbereich 20 und
den Düsen 30 in
der Ventilplatte 28 gewährleisten.
Im übrigen
entspricht der Aufbau des Ventils 50 demjenigen des Ventils
nach 1.
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In 4 ist
eine Ausbildung einer Düse 30 dargestellt,
die eine Ventilplatte bzw. eine Spritzlochscheibe 28 eines
Kraftstoffeinspritzventils der in den 1 bis 3 dargestellten Art durchgreift.
Die Düse 30 hat
eine scharfe Einströmkante 58 und
weitet sich in Strömungsrichtung
auf, wobei die Düse 30 eine
Wandung 59 hat, deren Längsschnitt
gewölbt
ist. Bei einer derartigen Düse
kann eine große
Schergeschwindigkeit des Kraftstoffes erreicht werden, so daß ein gute Zerstäubung vorliegt.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsform einer
Düse 30 einer
Spritzlochscheibe 28 zum Einbau in eine Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt, die eine abgerundete Einströmkante 61 aufweist
und die sich in Strömungsrichtung
trichterförmig
verjüngt, wobei
die Düse 30 eine
Wandung 62 hat, die einen gewölbten Längsschnitt aufweist. Ferner
hat die Düse 30 eine
scharfe Ausströmkante 63.
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In 6 ist
ein Gasventil 60 zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle
oder bei einem Gasmotor dargestellt, das zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw.
eines CNG(Compressed Natural Gases)-Stroms dient und im Aufbau den
Ventilen gemäß 1 bis 3 gleicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden daher
für funktionsgleiche
Bauteile die bisherigen Bezugszeichen verwendet.
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Das Gasventil 60 umfaßt ein Gehäuse 13,
in welchem ein Ventilschließglied 14 in
einer langen, von dem Gehäuse 13 gebildeten
Führung
axial verschieblich geführt
ist, das mit einer hier nicht näher dargestellten
elektromagnetischen Betätigungseinheit
in Wirkverbindung steht und mit einem Gleitlack beschichtet ist.
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Das Ventilschließglied 14 umfaßt eine
als Zufuhrkanal dienende, erste Axialbohrung 16, die mit
einer hier nicht dargestellten Zuströmseite des Gasventils 60 verbunden
ist. Von der ersten Axialbohrung 16 zweigen vier über den
Umfang des Ventilschließglieds 14 verteilte
Radialbohrungen ab, die jeweils eine radiale Abströmbohrung
bilden und von denen in 1 drei
Bohrungen 18A, 18B, 18C dargestellt sind,
welche zu einem an die Außenseite
des Ventilschließ glieds 14 grenzenden,
sogenannten äußeren Druckbereich 20 führen. In
axialer Richtung mündet die
erste Axialbohrung 16 in eine zweite Axialbohrung 22,
deren Durchmesser geringer als der Durchmesser der ersten Axialbohrung 16 ist
und die an der freien Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 austritt.
Die zweite Axialbohrung 22 geringeren Durchmessers, die
eine axiale Abströmbohrung
darstellt, bildet einen sogenannten inneren Druckbereich bzw. ist
Teil desselben.
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Beim Betrieb des Gasventils 10 strömt Gas aus
der ersten Axialbohrung 16 über die radialen Abströmbohrungen 18A, 18B, 18C in
den einen Gasraum darstellenden, äußeren Druckbereich 20 und über die
axiale Abströmbohrung 22 an
die freie Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14.
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Sowohl der innere Druckbereich 22 als
auch der äußere Druckbereich 20 sind
stromauf eines Ventilsitzes 26 angeordnet, der mit der
freien Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 zusammenwirkt
und an einer als Dichtplatte bzw. Dichtsitzscheibe dienenden Düsenplatte 28 ausgebildet
ist, die mit dem Ventilschließglied 14 zusammenwirkt.
Die Düsenplatte 28 des
für Gasanwendungen
vorgesehenen Ventils 10 hat eine wirksame Dicke, die größer ist
als die wirksame Dicke einer Düsenplatte,
die für
Flüssigkeitsanwendungen
vorgesehen ist.
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In der Düsenplatte 28 sind,
wie 7 zu entnehmen ist,
entlang einer Kreislinie im vorliegenden Ausführungsbeispiel vierzehn axial
ausgerichtete, als Durchströmöffnungen
dienende Düsen 30 ausgebildet,
die über
eine Ringnut 32 zu einer Abströmseite 12 des Gasventils 60 führen und
mit einer abgerundeten Einströmkante
versehen sind. Die Düsen 30 sind
jeweils so ausgelegt, daß das
Verhältnis
ihrer Länge
zu ihrem Durchmesser etwa 0,7 beträgt. Eine derartige Auslegung
bewirkt ein optimales Strömungsverhalten
des durch die Düsen 30 strömenden Gases.
Alternativ kann auch eine andere Zahl an Düsen vorgesehen sein.
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Die Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 ist
als Ringfläche
ausgebildet, an der eine aus einem elastomeren Werkstoff gefertigte
Ringdichtung 36 eingebettet ist. Die Ringdichtung 36 schließt in Schließstellung
des Ventilschließglieds 14 die
Düsen 32 ab,
so daß ein
Gasstrom von den Druckbereichen 20 und 22 zu der
Abströmseite 12 gesperrt
ist.
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In 8 ist
ein Gasventil 80 dargestellt, das im wesentlichen demjenigen
nach 1 entspricht. Das
Gasventil 80 unterscheidet sich von dem Gasventil nach 6 jedoch durch die Ausbildung
des Ventilschließglieds 14,
und zwar dadurch, daß es nicht
mit radial ausgerichteten Abströmbohrungen versehen
ist, sondern neben der axialen Abströmbohrung 22 winklig
gegenüber
der Längsachse
des Ventilschließglieds 14 ausgerichtete
Abströmbohrungen 42 aufweist,
die zu dem äußeren Druckbereich 20 führen, was
ein optimiertes Strömungsverhalten des
betreffenden Gases bewirkt.
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Der Dichtbereich des Gasventils 80 ist
in 9 detailliert dargestellt.
Er zeichnet sich dadurch aus, daß die Düsenplatte 28 einen
gegebenenfalls ringförmigen
Sockel 44 aufweist, der als Anschlag für das Ventilschließglied 14 dient
und im Randbereich des letzteren angeordnet ist.
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Des weiteren weist die Düsenplatte 28 an den
Düsen 30 jeweils
als Dichtlippe dienende Schürzen 46 auf,
die bei geschlossenem Ventilschließglied 14 in die ringförmige Elastomerdichtung 36 eingreifen,
die in einer Ringnut des Ventilschließglieds 14 eingebettet
ist. Zur Optimierung der Strömungsbedingungen
sind die Kanten der Elastomerdichtung 36 angeschrägt und die
Einströmkanten
der Düsen 30 mit
einem Krümmungsradius
von etwa 0,05 mm abgerundet.
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Die Strömung des betreffenden Gases
in dem Gasventil 80 ist ebenfalls 9 zu entnehmen. Das Gas strömt von der
Zuströmseite
gemäß einem Pfeil
A durch die erste Axialbohrung 16 des Ventilschließglieds 14 und
von dort zum einen durch die Abströmkanäle 42 gemäß einem
Pfeil B in den äußeren Druckbereich 20 und
zum anderen gemäß einem Pfeil
C durch die zweite Axialbohrung 22, die Teil des inneren
Druckbereichs ist. Beim Öffnen
des Ventilschließglieds 14 strömt Gas aus
dem äußeren Druckbereich 20 gemäß einem
Pfeil D und aus dem inneren Druckbereich gemäß einem Pfeil E zu den Düsen 30 und über diese
gemäß einem
Pfeil F zu der Abströmseite
des Gasventils 80. Diese Strömungswege entsprechen im wesentlichen
den Strömungswegen des
Kraftstoffs bei den in den 1 bis 3 dargestellten Kraftstoffeinspritzventilen.
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In 10 ist
eine alternative Ausführungsform
eines Dichtbereichs bei einem Gasventil der in 8 dargestellten Art gezeigt. Der Dichtbereich nach 10 unter scheidet sich von
demjenigen nach 9 dadurch,
daß er
einen Dichtring 52 aufweist, der mit zwei Dichtlippen 54A und 54B versehen
ist, die am inneren bzw. am äußeren Rand
des Dichtrings 52 angeordnet sind. Die Dichtlippen 54A und 54B greifen
bei geschlossenem Ventilschließglied 14 an
der Dichtplatte 28 an, die hier ohne Anschlagsockel sowie
ohne Schürzen
ausgebildet ist.