Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen von Fluid nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, wobei der für ein strömendes oder fließendes Medium stehende übergeordnete
Begriff Fluid in Übereinstimmung mit der Strömungslehre für Gase und Flüssigkeiten
verwendet wird.
[0002] Bei einem bekannten Kraftstoffeinspritzventil (
DE 101 08 945 A1) ist ein Magnetanker eines die Ventilnadel betätigenden Elektromagneten kraftschlüssig
auf der Ventilnadel festgelegt. Die Ventilnadel besitzt einen Schließkörper, der zusammen
mit dem Ventilsitz an der Ventilöffnung einen Dichtsitz bildet. Dabei presst zur Herstellung
des Dichtsitzes eine Rückstellfeder, die sich zwischen dem vom Schließkörper abgekehrten
Ende der Ventilnadel und einer Justierhülse abstützt, den Schließkörper auf den Ventilsitz
auf. Die Ventilnadel besitzt einen kragenförmigen Ankeranschlag und einen Mitnehmerflansch,
zwischen denen der Magnetanker sich axial auf der Ventilnadel zu verschieben vermag.
Zur kraftschlüssigen Festlegung des Magnetankers drückt eine Vorhubfeder den Magnetanker
an den Ankeranschlag an. Bei Bestromung des Elektromagneten wird der Anker entgegen
der Federkraft von Vorhub- und Rückstellfeder in Hubrichtung bewegt. Der Gesamthub
des Magnetankers ist dabei in einen Vorhub und einen Öffnungshub aufgeteilt. Während
des Vorhubs bleibt der Schließkörper noch auf dem Ventilsitz. Der Öffnungshub mit
Abheben des Schließkörpers vom Ventilsitz setzt ein, sobald der Anker nach Ende des
Vorhubs am Mitnehmerflansch anschlägt und über diesen die Ventilnadel in Hubrichtung
mitnimmt.
[0003] Ein solches Ventil hat gegenüber einem Ventil mit starrer Verbindung von Anker und
Ventilnadel den Vorteil, dass die bei Ventilbetätigung bewegte träge Masse auf zwei
Teilmassen, nämlich auf Magnetanker und Ventilnadel mit Schließkörper, aufgeteilt
ist, was zu einer Geräuschdämpfung beim Ventilöffnen und Ventilschließen führt. Darüber
hinaus werden sog. Preller des Magnetankers durch die Vorhubfeder weitgehend gedämpft.
Diese Preller führen beim Ventilschließen nach erstmaligem Aufsetzen des Schließkörpers
auf den Ventilsitz zu erneutem Abheben des Schließkörpers vom Ventilsitz und damit
zu einem unkontrollierten, kurzzeitigen Aufheben des Dichtsitzes und Öffnen des Ventils
und damit zu einer nicht reproduzierbaren Zumessmenge von Fluid. Durch die Beweglichkeit
des Magneten auf der Ventilnadel kann beim Ventilöffnen ein sog. mechanischer Boosteffekt
dadurch erzielt, dass der Magnetanker bei Bestromung des Elektromagneten beschleunigt
wird, bevor er nach Anschlagen an dem Mitnehmerflansch die Ventilnadel mitnimmt und
den Schließkörper vom Ventilsitz abhebt. Durch den dabei stattfindenden Impulsaustausch
zwischen Magnetanker und Ventilnadel wird insbesondere bei großem Fluiddruck die hydraulische
Schließkraft am Schließkörper schnell überwunden. Der erforderliche Energiebedarf
des Magneten ist damit geringer als bei Ventilen, bei denen Magnetanker und Ventilnadel
starr miteinander verbunden sind.
Offenbarung der Erfindung
[0005] Das erfindungsgemäße Zumessventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass durch die Ausbildung der Ventilnadel mit unterschiedlichen Steifigkeiten in Zug-
und Druckrichtung die Vorteile der Ventile mit sog. Ankerfreiweg, wie Vermeidung von
Prellern und mechanischer Booster, erhalten bleiben, ohne die Nachteile, die mit diesen
bekannten konstruktiven Ausführungen dieser Ventile einhergehen, wie eine Vielzahl
von Bauteilen und Verbindungsstellen, hohe Fertigungskosten, Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen
und verwendetem Fluid durch vorhandene hydraulische Quetschspalte, aufzuweisen. Die
Anzahl der Bauteile bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist nicht größer als bei Ventilen
mit starrer Verbindung von Aktor und Ventilnadel, und entsprechend vereinfacht ist
der Montageprozess. Da weniger funktionsbestimmende Toleranzen einzuhalten sind, wird
der Fertigungsaufwand und die Exemplarstreuung in den Funktionswerten, insbesondere
bei der Mengenzumessung von Fluid, reduziert. Die Funktion des Ventils bleibt über
die Laufzeit stabil. Die bei den bekannten Ventilen durch Vorhubfeder und Ankerfreiweg
erzielten Vorteile, wie Dämpfung der Preller und mechanische Boosterung, werden durch
die von der Rückstell- oder Schließkraft des Rückstellorgans ausgelöste elastische
Verformung der Ventilnadel bei Aufsetzen des Schließkörpers auf den Ventilsitz und
durch selbständiges Rückstellen der Verformung der Ventilnadel bei erfolgter Aufhebung
der Rückstellkraft des Rückstellorgans durch den aktivierten Aktor erzielt. Durch
die bis zu einer vorbestimmten Last geringe Steifigkeit der Ventilnadel werden Preller
beim Ventilschließen vermieden, da der Schließkörper nach dem ersten Schließen des
Ventils auf dem Ventilsitz verbleibt, während die träge Masse des Aktors aufgrund
der Verformungen der Ventilnadel noch schwingen und dadurch ihre Energie abbauen kann.
Ist der Aktor ein Elektromagnet mit einem im Fluid sich bewegenden Magnetanker, so
wird durch die Bewegung des Magnetankers im Fluid weitere Energie abgebaut. Nach Eintreten
der maximalen Verformung wird durch die nunmehr wieder höhere Steifigkeit der Ventilnadel
der Schließkörper definiert auf dem Ventilsitz gehalten, so dass eine definierte Zuordnung
von Aktor und Ventilnadel gewährleistet ist, so z.B. der Arbeitsluftspalt des Elektromagneten
zwischen Magnetanker und Magnetkern bei geschlossenem Ventil unabhängig von Toleranzen
des Rückstellorgans konstant ist.
[0006] Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
[0007] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die vorbestimmte Last,
ab der elastische Verformungen der Ventilnadel auftreten, kleiner gewählt, als die
Summe aus minimal zulässiger Rückstell- oder Schließkraft des in Druckrichtung auf
die Ventilnadel wirkenden Rückstellorgans und einer minimal vorhandenen Schließkraft,
die vom Fluid auf die Ventilnadel mit Schließkörper ausgeübt wird. Bei demgegenüber
auf die Ventilnadel in Druckrichtung wirkenden größeren Schließkräften tritt die elastische
Verformung der Ventilnadel ein. Damit ist die Anfangsposition des mit der Ventilnadel
verbunden Aktors beim Ventilschließen, z.B. die Anfangsposition des Magnetankers eines
Elektromagneten, unabhängig von der auf die Ventilnadel in Druckrichtung wirkenden
Rückstellkraft des Rückstellorgans genau definiert. Durch die mit zunehmender Verformung
sich erhöhende Steifigkeit der Ventilnadel wird der Schließkörper stärker auf dem
Ventilsitz aufgepresst, so dass im Ruhezustand des geschlossenen Ventils eine definierte
Zuordnung von Aktor und Ventilnadel gewährleistet ist, so z.B. stets ein konstanter
Arbeitsluftspalt zwischen Magnetanker und Magnetkern des Elektromagneten vorhanden
ist.
[0008] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilnadel in
mindestens einem Nadelabschnitt mindestens ein Paar Verformungsstege auf, die einander
diametral gegenüberliegen und bei Erreichen der vorbestimmten Last elastisch ein-
oder ausknicken.
[0009] Die Verformungsstege werden in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise dadurch gewonnen,
dass in die massive oder hohle Ventilnadel in mindestens einem Nadelabschnitt mindestens
ein in Achsrichtung der Ventilnadel sich erstreckender Schlitz mit begrenzter Schlitzlänge
eingebracht wird. Alternativ kann zur Gewinnung der Verformungsstege eine hohle Ventilnadel
aus einem Blech mit mindestens zwei vorzugsweise ausgestanzten Aussparungen von begrenzter
Axiallänge gerollt werden, wobei zwei in der hohlen Ventilnadel jeweils einander diametral
gegenüberliegenden Aussparungen einen Schlitz bilden. Vorzugsweise werden die parallel
zu den Längskanten sich erstreckenden Stoßstellen des Blechs miteinander stoffschlüssig
verbunden, z.B. verschweißt. Bei Verwendung eines Elektromagneten als Aktor wird vorteilhaft
auf eine solche Verschweißung verzichtet und Schließkörper und Magnetanker des Elektromagneten
auf die Stirnenden des gerollten Blechs aufgeschweißt. Auch kann zur Gewinnung der
Verformungsstege eine hohle Ventilnadel aus zwei gebogenen Blechen zusammengesetzt
werden, die jeweils mindestens eine parallel zu den Längskanten des Blechs sich erstreckende,
vorzugsweise ausgestanzte Aussparung von begrenzter Axiallänge aufweisen und an den
aneinanderstoßenden Längskanten miteinander stoffschlüssig verbunden sind, so dass
wiederum zwei in der hohlen Ventilnadel jeweils einander diametral gegenüberliegende
Aussparungen einen Schlitz bilden.
[0010] Ein gerichtetes Ein- oder Ausknicken der Veformungsstege wird gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung durch Gelenkstellen bestimmt und unterstützt, die an
den Schlitzenden und in Schlitzmitte des mindestens einen Schlitzes in die Ventilnadel
eingearbeitet und vorzugsweise durch Querschnittsverengungen in den Verformungsstegen
gebildet sind.
[0011] Werden die Querschnittsverengungen gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung durch je eine in die Ventilnadel eingebrachte Querbohrung an jedem der beiden
Schlitzenden und durch eine in die Ventilnadel eingebrachte, umlaufende Nut in Schlitzmitte
realisiert, so knicken die Verformungsstege bei Überschreiten der vorbestimmten Last,
der sog. Knicklast, nach innen ein und stützen sich aneinander ab. Durch die gegenseitige
Abstützung erhöht sich die Steifigkeit der Ventilnadel in Druckrichtung.
[0012] Das Einknicken der Verformungsstege nach innen kann gemäß einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung auch dadurch erzielt werden, dass die Verformungsstege durch plastische
Verformung aus ihrer Strecklage um wenige Grade nach innen vorgebogen sind.
[0013] Werden die Querschnittsverengungen gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung durch je eine in die Ventilnadel eingebrachte, umlaufende Nut an den Schlitzenden
und durch eine in die Ventilnadel eingebrachte Querbohrung in Schlitzmitte realisiert,
so knickern die Verformungsstege bei Überschreiten der Knicklast nach außen aus. Bei
Erreichen eines maximalen Abstands der Mitten der Verformungsstege voneinander, erhöht
sich die Steifigkeit der Ventilnadel in Druckrichtung.
[0014] Das Ausknicken der Verformungsstege nach außen kann gemäß einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung auch dadurch gefördert werden, dass die Verformungsstege durch plastische
Verformung aus der Strecklage um wenige Grade nach außen vorgebogen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0015] Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt eines Ventils zum Zumessen von Fluid im Betriebszustand
"Ventil offen" mit einem Aktor und einem Rückstellorgan zur Betätigung einer Ventilnadel,
Figur 2 eine schematisierte Darstellung von Ventilnadel, Aktor und Rückstellorgan
bei geschlossenem Ventil im Ruhezustand (Figur 2A), bei geschlossenem Ventil und aktiviertem
Aktor (Figur 2B) und bei geöffnetem Ventil und aktiviertem Aktor (Figur 2C),
Figur 3 einen Querschnitt der Ventilnadel gemäß Linie III - III in Figur 2C, Figur
4 eine gleiche Darstellung wie in Figur 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Ventilnadel,
Figur 5 eine gleiche Darstellung wie in Figur 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Ventilnadel,
Figur 6 eine gleiche Darstellung wie in Figur 2C gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Ventilnadel,
Figur 7 eine gleiche Darstellung wie in Figur 2C gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Ventilnadel,
Figur 8 eine gleiche Darstellung wie in Figur 2C gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Ventilnadel,
Figur 9 die Ventilnadel gemäß Figur 8 bei geschlossenem Ventil in Ruhestellung.
[0016] Das in Figur 1 im Längsschnitt dargestellte Ventil zum Zumessen von Fluid wird beispielsweise
als Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einer Kraftstoffeinspritzanlage
von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Das Ventil weist ein hülsenförmiges Ventilgehäuse
11 auf, in dessen zumessseitiges Ende ein Ventilkörper 12 und in dessen zulaufseitiges
Ende ein hier nicht dargestellter Anschlussstutzen zum Anschließen einer Fluidleitung
für den Fluidzulauf 10 fluiddicht eingesetzt ist. Der Ventilkörper 12 ist stoffschlüssig
mit dem Ventilgehäuse 11 verbunden, wobei der Stoffschluss durch die Schweißnaht 13
symbolisiert ist. Im Ventilkörper 12 ist eine Zumess- oder Ventilöffnung 14 mit einem
die Ventilöffnung 14 umgebenden Ventilsitz 15 ausgebildet. Eine im Ventilgehäuse 11
axial verschiebliche Ventilnadel 16 weist an ihrem der Ventilöffnung 14 zugekehrten,
zumessseitigen Nadelende einen Schließkörper 161 auf, der mit dem Ventilsitz 15 einen
Dichtsitz bildet. Der Schließkörper 161 ist hier kugelartig ausgebildet und an das
Stirnende der hier massiven Ventilnadel 16 angeschweißt. Der Schließkörper 161 kann
aber auch einstückig mit der Ventilnadel 16 ausgeführt sein. Zum Schließen und Freigeben
der Ventilöffnung 14 wird durch Betätigen der Ventilnadel 16 der Dichtsitz hergestellt
bzw. aufgehoben. Die Ventilnadel 16 ist zum Herstellen des Dichtsitzes von einem Rückstellorgan
18 auf Druck und zum Aufheben des Dichtsitzes von einem Aktor 19 auf Zug belastet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rückstellorgan 18 als Druckfeder 17 und
der Aktor 19 als Elektromagnet 20 ausgebildet. Es können jedoch auch andere Aktoren
19 verwendet werden, z. B. ein piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor.
[0017] Der Elektromagnet 20 weist in bekannter Weise einen Magnettopf 21, eine Magnetspule
22, einen Magnetkern 23 und einen Magnetanker 24 auf. Der Magnettopf 21 ist auf das
Ventilgehäuse 11 aufgeschoben und mit seinem Topfboden am Ventilgehäuse 11 verschweißt
und nimmt die Magnetspule 22 axial unverschieblich auf. Der hohlzylindrische Magnetkern
23 ist formschlüssig in das Ventilgehäuse 11 eingesetzt und nimmt im hohlen Kerninnern
die Druckfeder 17 auf. Der im Ventilgehäuse 11 axial verschieblich geführte Magentanker
24 ist starr auf der Ventilnadel 16 befestigt, z. B. mit dieser stoffschlüssig verbunden,
was in Figur 1 durch die Schweißnaht 35 symbolisiert ist. Die einander zugekehrten
ringförmigen Stirnflächen von Magnetanker 24 und Magnetkern 23 schließen einen Arbeitsluftspalt
25 des Elektromagneten 20 ein. Die Druckfeder 17 stützt sich einerseits am Magnetanker
24 und andererseits an einer Justierhülse 26 ab, die in den Magnetkern 23 eingeschraubt
ist. Im Magnetanker 24 sind Strömungskanäle 27 vorgehalten, die über die Justierhülse
26 eine Fluidverbindung vom Zulauf 10 zu einer der Ventilöffnung 14 vorgelagerten,
vom Ventilkörper 12 und Ventilgehäuse 11 eingeschlossenen Ventilkammer 28 herstellen.
Die Magnetspule 22 ist mittels eines elektrischen Anschlusssteckers 29 bestrombar.
Üblicherweise sind der Anschlussstutzen für die Fluidzuleitung und ein den Anschlussstecker
29 umschließendes, hier nicht dargestelltes Steckergehäuse von einer Kunststoffummantelung
gebildet, die auch den Magnettopf 21 zumindest teilweise umschließt (hier nicht dargestellt).
[0018] Mit verschiedenen, im Folgenden erläuterten konstruktiven Ausführungen der Ventilnadel
16 werden bei diesem Ventil zwei Vorteile erzielt, die auch Ventile mit Vorhubfeder
und Ankerfreiweg aufweisen, die aber in Fertigung und Montage deutlich aufwendiger
sind. Der eine Vorteil ist die weitgehende Eliminierung der Preller beim Schließen
der Ventilöffnung 14, also beim Herstellen des Dichtsitzes, wodurch der Schließkörper
nach seinem ersten Aufsetzen auf den Ventilsitz auf diesem verbleibt und durch Aufrechterhaltung
des Dichtsitzes eine reproduzierbare Zumessung von Fluid sicherstellt. Der andere
Vorteil ist die Gewinnung eines sog. Boosteffekts, d. h. einer kurzzeitigen Beschleunigung
des Magnetankers 24 beim Ventilöffnen, was zu einer Verringerung der erforderlichen
Magnetkraft beim Aufheben des Dichtsitzes führt und eine Reduzierung der Leistung
des Elektromagneten 20 ermöglicht. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Ventilnadel
16 weist hierzu in Zug- und Druckrichtung unterschiedliche Steifigkeiten in der Weise
auf, dass die Ventilnadel 16 bei Belastung in Zugrichtung quasi unverformbar steif
ist, bei Belastung in Druckrichtung jedoch eine bis zum Erreichen einer vorbestimmten
Last elastische Verformungen zulassende Steifigkeit aufweist und nach Eintreten der
Verformungen eine demgegenüber vergrößerte Steifigkeit annimmt. Die vorbestimmte Last,
im Folgenden als Knicklast bezeichnet, ist vorzugsweise kleiner gewählt als die Summe
aus minimal zulässiger Rückstell- oder Schließkraft des in Druckrichtung auf die Ventilnadel
16 wirkenden Rückstellorgans 18, also der Druckkraft der Druckfeder 17, und der minimal
vorhandenen Schließkraft, die vom Fluid auf die Ventilnadel 16 mit Schließkörper 161
ausgeübt wird. Diese unterschiedlichen Steifigkeiten werden in konstruktiv einfacher
Weise dadurch erreicht, dass die Ventilnadel 16 in mindestens einem Nadelabschnitt
mindestens ein Paar einander diametral gegenüberliegende Verformungsstege 30 aufweist,
die bei Erreichen der vorbestimmten Last, also der Knicklast, elastisch ein- oder
ausknicken.
[0019] Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 bis 4 und in den Ausführungsbeispielen der Figuren
7 bis 9 ist in einem Nadelabschnitt ein Paar Verformungsstege 30 vorhanden. In dem
Ausführungsbeispiel der Figur 5 sind in einem Nadelabschnitt der Ventilnadel 16 zwei
Paare von jeweils einander diametral gegenüberliegenden Verformungsstegen 30 vorhanden.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist in zwei axial aufeinanderfolgenden Nadelabschnitten
der Ventilnadel 16 jeweils ein Paar einander gegenüberliegende Verformungsstege 30
vorhanden.
[0020] Zur Gewinnung dieser Verformungsstege 30 ist in die massive Ventilnadel 16 mindestens
ein sich in Achsrichtung der Ventilnadel 16 erstreckender Schlitz 31 mit begrenzter
Schlitzlänge eingebracht. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 sind somit zur Ausbildung
der zwei Paare von Verformungsstegen 30 im gleichen Nadelabschnitt zwei Schlitze 31
und in dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 zur Ausbildung von jeweils einem Paar von
Verformungsstegen 30 in zwei axial hintereinander liegenden Nadelabschnitten zwei
auf zwei verschiedene Nadelabschnitte verteilte Schlitze 31 vorhanden. In den übrigen
Ausführungsbeispielen besitzt die Ventilnadel 16 lediglich einen Schlitz 31.
[0021] Anstelle der massiven Ventilnadel 16 gemäß Figur 1, 2, 3 und 5 bis 9 kann auch eine
hohle Ventilnadel 16 eingesetzt werden, die in gleicher Weise einen oder mehrere Schlitze
31 aufweist. Die hohle Ventilnadel 16 kann dabei für die Fluidströmung vom Zulauf
10 zur Ventilkammer 28 genutzt werden, so dass gesonderte Strömungskanäle 27 im Magnetanker
24 entfallen können. Zur Gewinnung der Verformungsstege 30 bei einer hohlen Ventilnadel
16 kann einerseits der Schlitz 31 in die hohlzylindrische Ventilnadel 16 eingeschnitten,
eingefräst oder eingestochen werden, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Die Ventilnadel
16 kann aber auch aus einem Blech mit mindestens zwei länglichen Aussparungen mit
begrenzter axialer Länge gerollt werden. Die Aussparungen sind dabei so angeordnet,
dass bei gerolltem Blech jeweils zwei Aussparungen einander diametral gegenüberliegen
und einen die Ventilnadel 16 querenden Schlitz 31 bilden. Die parallel zu den Längskanten
der Austanzungen sich erstreckenden Stoßstellen des Blechs werden miteinander stoffschlüssig
verbunden, z. B. verschweißt. Bei Einsatz des Elektromagneten 20 als Aktor 19 kann
vorteilhaft auf die stoffschüssige Verbindung des Blechs verzichtet und stattdessen
das gerollte Blech auf voneinander abgekehrten Enden mit dem Schließkörper 161 und
dem Magnetanker 24 des Elektromagneten 20 stoffschlüssig verbunden, z. B. an- oder
aufgeschweißt, werden. Alternativ kann die hohle Ventilnadel 16 aus zwei gebogenen
Blechen zusammengesetzt werden, wobei in jedes Blech mindestens eine längliche Aussparung
eingearbeitet ist, deren Längskanten sich parallel zu den Längskanten des Blechs erstrecken.
Die beiden gebogenen Bleche werden aneinander gesetzt und an den aneinander stoßenden
Längskanten miteinander stoffschlüssig verbunden, z. B. verschweißt. Auch hier sind
die Aussparungen so in den Blechen angeordnet, dass zwei sich in der fertigen Ventilnadel
16 jeweils einander diametral gegenüberliegende Aussparungen einen die Ventilnadel
16 querenden Schlitz 31 bilden. Die Herstellung der Aussparungen kann durch Stanzen,
Schneiden oder Fräsen vorgenommen werden.
[0022] In Figur 2 ist das Verhalten der Ventilnadel 16 mit ihren unterschiedlichen Steifigkeiten
in Zug- und Druckrichtung beim Ventilschließen und Ventilöffnen schematisch skizziert.
[0023] In Figur 1 und Figur 2C ist das Ventil geöffnet, d.h. durch Bestromung des Elektromagneten
20 der Schließkörper 161 vom Ventilsitz 15 abgehoben. Die Ventilnadel 16 ist in Zugrichtung
belastet und nimmt ihre normale gestreckte Stabform an.
[0024] In Figur 2A ist das Ventil geschlossen. Der Elektromagnet 20 ist nicht bestromt,
und die Druckfeder 17 drückt den Schließkörper 161 auf den Ventilsitz 15 auf. Die
Ventilnadel 16 ist auf Druck belastet, wodurch infolge der geringeren Steifigkeit
der Ventilnadel 16 in Druckrichtung und des Überschreitens der Knicklast die beiden
Verformungsstege 30 nach innen ausgeknickt sind und sich mittig gegenseitig berühren.
Durch diese Abstützung der beiden Verformungsstege 30 aneinander, wird bei geschlossener
Ventilöffnung 14 die Steifigkeit der Ventilnadel 16 in Druckrichtung nach Verformung
der Verformungsstege 30 wieder erhöht und das Ventil zuverlässig geschlossen gehalten.
Das Einknicken der Verformungsstege 30 erfolgt beim ersten Aufsetzen des Schließkörpers
161 auf den Ventilsitz 15. Aufgrund der geringeren Steifigkeit der Ventilnadel 16
verbleibt der Schließkörper 161 nach dem ersten Aufsetzen auf den Ventilsitz 15 im
Ventilsitz 15, während der Magnetanker 24 infolge des sich verändernden Abstandes
der Mitten der beiden Verformungsstege 30, also durch "Atmen" des Schlitzes 31, auf-
und abschwingen kann und durch seine Bewegung im Fluid seine Energie abbaut. Die sog.
Preller mit unkontrolliertem, kurzzeitigem Aufheben des Dichtsitzes werden vermieden.
[0025] Wird in der Ventilschließstellung nunmehr der Elektromagnet 20 bestromt, wie dies
in Figur 2B dargestellt ist, so führt zunächst der Magnetanker 24 einen Vorhub a aus,
wobei der Schließkörper 161 auf dem Ventilsitz 15 verbleibt und die Ventilnadel 16
in Zugrichtung noch nicht belastet ist. Sobald die auf die Ventilnadel 16 wirkenden
Druckkräfte kleiner sind als die Knicklast, stellen sich die Verformungsstege 30 aus
ihrer elastischen Einknickung gemäß Figur 2A in ihre ursprüngliche Lage zurück, und
die rückstellende Kraft der Verformungsstege 30 beschleunigt den Magnetanker 24 in
Richtung Magnetkern 23 (Boosteffekt). Nach Streckung der Verformungsstege 30 führt
der Magnetanker 24 den eigentlichen Öffnungshub h aus und belastet die Ventilnadel
16 in Zugrichtung. Die bei dieser Zugbelastung jetzt quasi unverformbar steife Ventilnadel
16 hebt ihren Schließkörper 161 vom Ventilsitz 15 ab. Die Ventilöffnung 14 ist freigegeben
(Figur 2C).
[0026] Das Einknicken der Verformungsstege 30 gemäß Figur 2A kann noch dadurch unterstützt
werden, dass die Verformungsstege 30 durch plastische Verformung aus ihrer Strecklage
um wenige Grade nach innen vorgebogen werden.
[0027] Alternativ können die Verformungsstege 30 bei Belastung in Druckrichtung und Überschreiten
der Knicklast auch nach außen ausknicken, wobei sich die Mitten der Verformungsstege
30 voneinander wegbewegen. Eine solche Ausknickung kann z.B. dadurch erreicht werden,
dass die Verformungsstege 30 durch plastische Verformung aus der Strecklage um wenige
Grade nach außen vorgebogen werden.
[0028] Um ein definiertes, gerichtetes Ein- oder Ausknicken der Verformungsstege 30 zu gewährleisten,
sind an den beiden Schlitzenden und in Schlitzmitte eines jeden Schlitzes 31 Gelenkstellen
in die Ventilnadel 16 eingearbeitet, die durch Querschnittsverengungen 32 in den Verformungsstegen
30, also durch eine Reduzierung des Querschnitts des Verformungsstegmaterials, erzielt
werden. Im Ausführungsbeispiel der Ventilnadel 16 gemäß Figur 7 ist die Querschnittsverengung
32 an jedem der beiden Schlitzenden durch je eine Querbohrung 33 und die Querschnittsverengung
32 in Schlitzmitte durch eine umlaufende Nut 34 realisiert. Querbohrungen 33 und Nut
34 sind in die Ventilnadel 16 eingebracht. Bei dieser Anordnung von Querbohrungen
33 und Nut 34 knicken die Verformungsstege 30 bei Überschreiten der Knicklast nach
innen ein, wie dies in Figur 2A dargestellt ist.
[0029] In dem Ausführungsbeispiel der Ventilnadel 16 gemäß Figur 8 und 9 ist die Querschnittsverengung
32 an jedem der beiden Schlitzenden durch eine in die Ventilnadel 16 eingebrachte,
umlaufende Nut 34 und die Querschnittsverengung 32 in Schlitzmitte durch eine in die
Ventilnadel 16 eingebrachte Querbohrung 33 realisiert. Bei dieser Anordnung von Nuten
34 und Querbohrung 33 knicken die Verformungsstege 30 nach außen aus, wie dies in
Figur 9 dargestellt ist. Bei Erreichen der maximalen Ausknickung, d.h. des maximalen
Abstands der Verformungsstege 30 in Stegmitte voneinander, erhöht sich die Steifigkeit
der Ventilnadel 16 in Druckrichtung.
1. Ventil zum Zumessen von Fluid, mit einer vom Fluid durchströmbaren Ventilöffnung (14),
die von einem Ventilsitz (15) umschlossen ist, mit einer Ventilnadel (16), die zur
Bildung eines Dichtsitzes an der Ventilöffnung (14) einen mit dem Ventilsitz (15)
zusammenwirkenden Schließkörper (161) aufweist, mit einem Rückstellorgan (18), das
zum Herstellen des Dichtsitzes die Ventilnadel (16) auf Druck belastet und mit einem
Aktor (19), der zum Aufheben des Dichtsitzes die Ventilnadel (16) auf Zug belastet,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (16) in Zug- und Druckrichtung unterschiedliche Steifigkeiten in
der Weise aufweist, dass die Ventilnadel (16) bei Belastung in Zugrichtung quasi unverformbar
steif ist und bei Belastung in Druckrichtung eine bis zum Erreichen einer vorbestimmten
Last elastische Verformungen zulassende Steifigkeit aufweist und nach Eintreten der
Verformungen eine demgegenüber vergrößerte Steifigkeit annimmt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Last kleiner ist als die Summe aus einer minimal zulässigen Rückstellkraft
des in Druckrichtung auf die Ventilnadel (16) wirkenden Rückstellorgans (18) und einer
minimal vorhandenen Schließkraft, die vom Fluid auf die Ventilnadel (16) mit Schließkörper
(161) ausgeübt wird.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (16) in mindestens einem Nadelabschnitt mindestens ein Paar bei Erreichen
der vorbestimmten Last elastisch ein- oder ausknickbare Verformungsstege (30) aufweist,
die einander diametral gegenüberliegen.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der Verformungsstege (30) in die massive oder hohle Ventilnadel (16)
in mindestens einem Nadelabschnitt mindestens ein in Achsrichtung der Ventilnadel
(16) sich erstreckender Schlitz (31) mit begrenzter Schlitzlänge eingebracht ist.
5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der Verformungsstege (30) die Ventilnadel (16) aus einem Blech mit
mindestens zwei Aussparungen von begrenzter axialer Länge gerollt ist und vorzugsweise
dass die parallel zu den Längskanten der Aussparungen sich erstreckenden Stoßstellen
des Blechs miteinander verschweißt sind.
6. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der Verformungsstege (30) die Ventilnadel (16) aus zwei gebogenen Blechen
zusammengesetzt ist, die jeweils mindestens eine parallel zu den Längskanten des Blechs
sich erstreckende Aussparung von begrenzter axialer Länge aufweisen und an den aneinanderstoßenden
Längskanten miteinander verschweißt sind.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Schlitzenden und in Schlitzmitte des mindestens einen Schlitzes (31)
die elastische Knickung der Verformungsstege (30) unterstützende Gelenkstellen in
die Ventilnadel (16) eingearbeitet sind.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkstellen durch Querschnittsverengungen (32) in den Verformungsstegen (30)
gebildet sind.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung (32) an jedem der beiden Schlitzenden durch eine in die
Ventilnadel (16) eingebrachte Querbohrung (33) und die Querschnittsverengung (32)
in Schlitzmitte durch eine in die Ventilnadel (16) eingebrachte, umlaufende Nut (34)
realisiert ist.
10. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung (32) an jedem der beiden Schlitzenden durch eine in die
Ventilnadel (16) eingebrachte, umlaufende Nut (34) und die Querschnittsverengung (32)
in Schlitzmitte durch eine in die Ventilnadel (16) eingebrachte Querbohrung (33) realisiert
ist.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsstege (30) durch plastische Verformung aus ihrer axialen Erstreckung
um wenige Grade nach innen oder außen gebogen sind.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (19) von einem Elektromagneten (20) mit einem Magnetanker (24) gebildet
ist und der Mangetanker (24) fest auf der Ventilnadel (16) sitzt, vorzugsweise mit
dieser stoffschlüssig verbunden ist.
13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der Verformungsstege (30) die Ventilnadel (16) aus einem Blech mit
mindestens zwei Aussparungen von begrenzter axialer Länge gerollt ist und auf das
gerollte Blech Magnetanker (24) und Schließkörper (161) stoffschlüssig aufgesetzt,
vorzugsweise aufgeschweißt, sind.