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Die
Erfindung betrifft ein Druckventil für eine hydraulische
Anlage, insbesondere für ein Hochdruck-Kraftstoffsystem,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Druckventile,
die als Druckbegrenzungsventile oder als Druckregelventile ausgebildet
sein können, sind bekannt und dienen zur Steuerung des
Druckmitteldruckes in einer hydraulischen Anlage. Bei bekannten Druckventilen
wirkt beispielsweise ein Elektromagnet über einen Anker
direkt, seltener indirekt über eine Druckfeder auf ein
Ventil. Das Steuerelement des Ventils ist überwiegend als
Sitzkegel, seltener als Längsschieber oder Düsen-Prallplattensystem
ausgebildet. Es kann die auf das Steuerelement ausgeübte
Magnetkraft – und damit der Druckmitteldruck in der hydraulischen
Anlage – durch Verändern des elektrischen Eingangsstromes
variiert werden, ohne dass der elektromagnetische Wandler einen
Hub ausführt. Der Wandler wirkt als elektromagnetische
Feder.
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Beispielsweise
durch die
DE 197 13
858 A1 ist ein Druckventil für ein Hochdruck-Kraftstoffsystem
eines Fahrzeugs bekannt, mit einem Ventilgehäuse, in dem
ein elektromagnetischer Wandler mit einem Spulenkörper
und einem axial verschieblichen Anker zur Betätigung eines
Steuerelements des Druckventils eingesetzt ist, wobei das Steuerelement
eine Druckmittelöffnung in dem Ventilgehäuse verschließen
kann. Die Kontakte oder Zuleitungen für den Spulenkörper
sind in dem Ventilgehäuse mit radialem Abstand zu dem Anker geführt,
wobei der Anker in seiner radialen Ausdehnung durch die Kontaktführung
und die Anordnung des Spulenkörpers begrenzt wird.
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In
einer bestimmten Ausführungsform, die in der europäischen
Patentanmeldung
EP 1 088 182 (Anmelderin:
Hydraulik-Ring GmbH, Anmeldenummer: 99936347.6) graphisch und verbal
dargestellt ist – sie gilt mit diesem Verweis als vollinhaltlich
in diese Anmeldung als Bezugsanmeldung aufgenommen – lässt
sich ein Hochdruckdieselventil mit einem länglich, ausgestreckten,
flachen Anker, der eine im Wesentlichen kreisrunde Form haben kann,
aufbauen, so dass das Hochdruckregelventil als Flachankerdruckventil
bzw. als Flachankerhochdruckdieselventil bezeichnet wird.
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Eine
weitere Darstellung eines Druckbegrenzungsventils mit einem flachen
Anker kann den Figuren der
DE
43 05 789 A1 (Anmelderin: Mannesmann Rexroth GmbH; Anmeldetag:
25.02.1993) entnommen werden, bei denen im Anker axiale Bohrungen
vorgesehen sind, damit das Montagewerkzeug am Anker angreifen kann
und mit durchgreifenden Abstandsdornen den Luftspalt zwischen Anker
und benachbartem Polstück während des Montageprozesses
einstellen kann. Wie die Figurenbeschreibung zutreffend ausführt,
haben die axialen Bohrungen die einzige Aufgabe, allein nur die
Montage zu ermöglichen.
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Der
Bauraumbedarf des Druckventils ist nicht optimiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckventil zu schaffen,
dessen radialer Bauraumbedarf verringert ist.
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Die
Aufgabe wird mit einem Druckventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Dadurch,
dass in dem Anker zumindest ein mit Abstand zu seiner Längsachse
angeordneter axialer Durchgang oder eine axiale Bohrung vorgesehen
ist, in dem ein Kontakt für den Spulenkörper hindurchgeführt ist,
ist eine konstruktive Maßnahme angegeben, die radiale Ausdehnung
des Druckventils, bedingt durch die Kontaktführung in dem
Ventilgehäuse zu verringern.
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Der
Anker könnte durch diese konstruktive Maßnahme
auch radial über den Spulenkörper ragen, wodurch
die Dimensionen des Ankers sich ohne Vergrößerung
des gesamten radialen Bauraums des Druckventils steigern ließen.
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Vorteilhaft
kann das Ventil als Hochdruckregelventil für Kraftstoffanwendungen
im Kraftfahrzeug in Druckbereichen bis zu mehr als 2000 bar eingesetzt
werden, wobei selbst auf der Tankrücklaufseite des Ventils 40
bar pulsweise oder über längeren Zeitraum auftreten
können.
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Bevorzugte
Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Druckventils
weist der Anker zwei außermittige, axiale Durchgänge
auf, durch die je ein Kontakt für den Spulenkörper
geführt ist. Dabei kann es zweckmäßig
sein, einen Kontakt in einer Metallhülse, die durch einen
axialen Durchgang durch den Anker geführt ist, anzuordnen
und einen Kontakt mit einer steifen elektrischen Isolationsschicht
durch den zweiten axialen Durchgang durch den Anker zu führen.
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Insgesamt
ist es positiv, wenn die gleichen Kontakte für die Durchkontaktierung
durch den Anker genommen werden können. Das bedeutet, in
einer Schichtbetrachtung ist der litzenartige innere elektrisch
leitfähige Kontakt von einer Isolationsschicht umgeben.
Einer der Kontakte ist im Bereich des Ankers durch eine Metallhülse
geführt.
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Alternativ
kann die Isolation um den Kontakt durch eine Beschichtung auf der
Metallhülse mit einem isolierenden Überzug hergestellt
werden.
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Idealerweise
sind die Kontakte isoliert ausgeführt. In einer Ausgestaltung
hat der metallische Kontakt, z. B. eine Litze, eine isolierende
Ummantelung, die dann wiederum von einer Hülse umschlossen
wird. Wenigstens eine Metallhülse ist vorhanden. In einer
alternativen Ausgestaltung können auch beide in Isolationsmaterial
geführten Kontakte jeweils von einer Metallhülse
eingefasst sein.
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Die
Metallhülse und die elektrische Isolierung sind mit einer
Spielpassung die auch die thermische Ausdehnung der Bauteile berücksichtigt,
durch die außermittigen, axialen Durchgänge durch
den Anker geführt. Auf diese Weise ergibt sich zusätzlich
eine Verdrehsicherung für den Anker.
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Die
außermittigen, axialen Durchgänge können
symmetrisch zu einer Mittelachse des Ankers in diesem angeordnet
sein. Der Anker ist bevorzugt ein Flachanker und das erfindungsgemäße
Druckventil eignet sich zum Einsatz in einer Common-Rail-Kraftstoffeinspritzanlage
eines Fahrzeugs in der Bauform eines kraftgesteuerten oder lagegesteuerten
Proportional-Druckregelventils oder Proportional-Druckbegrenzungsventils zur
Regelung oder Begrenzung eines Druckmitteldruckes.
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Der
Flachanker soll mit verschiedenen Löchern, in der Regel
zwei, versehen werden, durch die Kontakte für den in den
Deckel integrierten Stecker geführt sind. Die Kontakte
führen auf die Spule des elektrischen Teils des Ventils.
Diese Ausführungsform hat verschiedene Vorteile. Ein Vorteil
liegt in der Verdrehsicherheit des Ankers, der rotationsfest ist.
Ein Vorteil liegt in der besonders günstigen Führung
der Kontakte. Die Kontakte sind mit Kunststoff ummantelt. Eine der
beiden Kunststoffschnüre ist weiterhin mit einer Hülse überzogen, die
nicht magnetisierbar ist. Als Material für die Hülse
kommen in Frage Aluminium, Edelstahl, Messing, Nickel. In einer
weiteren Ausgestaltung kann der Anker nun so gestaltet werden, dass
feststehende Elemente im Bereich des Deckels in den Raum des Ankers
hineinragen können, denn der Anker kann sich nicht mehr
verdrehen. Die Hülse hat den weiteren positiven Effekt,
die Hysterese aufgrund von Reibung des Ankers am Kunststoff zu verringern.
Dabei trägt eine einseitige Hülse in vielen Ausgestaltungsbeispielen
zur ausreichenden Hystereseverringerung bei. Eine weitere Hülse
treibt die Kosten zur Herstellung nur nach oben. Häufig
wird dabei die Hystereseverringerung nicht in dem gleichen Maß verbessert.
Die beiden Löcher für die Kontaktierungen im Anker
sind in der Regel gleich geschaffen. Wenn die Löcher symmetrisch
liegen, kann der Anker beliebig montiert werden. Erst durch die
Anordnung der Hülse wird die Verdrehsicherheit sichergestellt.
Wichtig ist, dass die Spulenkontakte keine Verbindung zum Anker
im elektrischen Sinne erhalten, jedoch ist eine mechanische Verbindung
in der Regel nicht schädlich. Ein weiterer Vorteil liegt
darin, dass die Toleranzen vieler Bauteile des Ventils deutlich
großzügiger ausgelegt werden können.
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Von
außen betrachtet wirken die litzenartigen Kontakte durch
den Anker wie Kunststoffschnüre.
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Zwei
Ausführungsbeispiele sind nachfolgend anhand der Zeichnung
gezeigt. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Druckregelventils,
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2 einen
teilweisen, perspektivischen Längsschnitt durch das Druckregelventil
in 1,
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3 eine
Draufsicht auf den Anker des Druckregelventils in 1,
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4 eine
Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei
nur der magnetische Teil teilweise darstellt ist,
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5 eine
Ansicht auf einen Gegenstand nach 4 aus der
eingezeichneten Sichtrichtung X (ohne Deckel), und
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6 eine
Darstellung nach 4 in 3-D-Darstellung, die aus
einem CAD-System extrahiert worden ist.
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In 1 ist
in einer perspektivischen Ansicht ein als Proportional-Druckregelventil 13 gebildetes Druckventil 1 für
eine Common-Rail-Kraftstoffeinspritzanlage eines Personenkraftwagens
gezeigt. Das Proportional-Druckregelventil 13 ist mit einem
zylindrischen Ventilgehäuse 2 gebildet, das zum
Ein- und Ausschrauben des Proportional-Druckregelventils 13 in
ein Pumpengehäuse einer Hochdruckpumpe einen Außensechskant 14 etwa
in axialer Mitte des Ventils aufweist.
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Die
(nicht in 1 dargestellten) Kontakte des
Steckers 16 müssen von dem Stecker 16 zu
dem in 2 dargestellten Spulenkörper 4 elektrisch
durchkontaktiert werden. Der Deckel 15 wird, so wie in
der Schnittzeichnung der 2 dargestellt, mit einer möglichst
geringen seitlichen Wandstärke ausgestattet. Erschwerend
für eine zuverlässige Kontaktführung
kommt die seitliche Anordnung einer, insbesondere rund umlaufenden,
Dichtung 17 hinzu. Durch das Vorsehen der Dichtung 17 ist
die Wandstärke noch weiter reduziert.
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Wie
in 2 in einem teilweisen perspektivischen Längsschnitt
durch das Proportional-Druckregelventil 13 gezeigt ist,
ist in dem Ventilgehäuse 2 ein elektromagnetischer
Wandler 3 zur Betätigung eines stößelartigen
Steuerelements 6 eingesetzt. Das Steuerelement 6 ist
mit einem als Flachanker 12 gebildeten, axial verschieblichen
Anker 5 fest verbunden und presst eine nicht gezeigte Kugel
auf eine konisch sich ins Ventilinnere erweiternde Druckmittelöffnung.
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Der
Flachanker 12 ist in axialer Richtung des Proportional-Druckregelventils 13 zwischen
einem Deckel 15, der das Proportional-Druckregelventil 13 nach
außen abschließt, und einem Spulenkörper 4 angeordnet.
Der Flachanker 12 überragt radial den Spulenkörper 4,
dessen Kontakte 9, 9' durch je einen außermittigen, axialen
Durchgang 8, 8' durch den Flachanker 12 geführt
sind (vgl. 3). Die Durchgänge 8, 8' sind
spiegelsymmetrisch zu einer Mittelachse 11 des Flachankers 12 angeordnet,
wobei ein Durchgang 8 von einer, den Kontakt 9 umgebenden,
unmagnetischen Metallhülse 10 durchzogen ist und
der andere außermittige, axiale Durchgang 8' von
einem isolierten Kontakt 9' für den Spulenkörper 4 durchzogen
ist.
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Vereinfacht
sind die Durchgänge 8, 8' durch die gleichen
Kontakte 9, die jeweils eine Isolationsschicht 18,
wenigstens im Bereich des Flachankers 12 haben, durchsetzt.
Der Kontakt 9 ist zumindest in dem Bereich durch die Isolationsschicht 18 gegen
elektrische Streuflüsse und Kurzschlüsse geschützt,
in dem der Anker 5 seine maximale Bewegungsstrecke entlang
des Kontakts 9 zurücklegen kann.
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Der
Flachanker 14 hat einen so breiten Durchmesser, dass der
Flachanker 14 sich nahezu über die gesamte radiale
Breite des Ventils 1 erstreckt. Der Flachanker 14 ist
in seinem Radius nur ungefähr durch die Dicke des Ventilgehäuses 2 beschränkt.
Der Flachanker 14 hat die Breite des Ventils 1 abzüglich
der Dicke des Ventilgehäuses 2.
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Die 4, 5, 6 zeigen
eine alternative Ausführungsform zu der Darstellung nach 1 und 2,
wobei ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie
in den 1 und 2 bezeichnet worden sind. In
einem Ventilgehäuse 2, das vorrangig den magnetischen
Teil des Ventils trägt, liegt außerhalb eines Spulenkörpers 4,
insbesondere oberhalb eines Spulenkörpers 4, und
weiterhin insbesondere auf einer Seite des Spulenkörpers 4,
ein Flachanker 12. Der Flachanker 12 ist in seiner
Fläche unterbrochen. Der Flachanker 12, der in
seiner Mitte in der Regel eine Aufnahme für den Stößel
bietet, ist weiterhin durchlöchert. Der Flachanker 12 bietet
außermittige Durchgänge 8, 8',
durch die Kontakte 9, 9' für die elektrische
Kontaktierung des Spulenkörpers 4 geführt
sind. Einer der Kontakte 8 ist mit einer Gleithülse 10 überzogen.
Die Hülse 10 fördert die längsbewegliche
Verschiebung des Flachankers 12 und senkt somit die mechanisch/elektrische Hysterese
des Ventils, also die Abhängigkeit der mechanischen Positionsveränderung
des Ankers 12 von dem Erregungsstrom, der durch den Spulenkörper 4 fließt.
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Wie
an Hand der Abmessungen a und b in 5 zu sehen
ist, ist der Luftspalt zwischen dem Flachanker 12, genauer
der Wand der Bohrung des Durchgangs 8, 8', der
von der Hülse 10 durchsetzt wird, schmaler als
ohne entsprechende Gleithülse 10. Der Anker 5,
der während seiner axialen Verschiebung radiale Auslenkungen
erfahren kann, wird durch die Gleithülse 10 stabilisierend
gelenkt. Auf Grund der metallischen Lagerung zwischen Flachanker 12 und
der Gleithülse 10 im Berührungsfall ist
die Axialverschieblichkeit des Flachankers 12 nur minimal
gehemmt. Die Gleithülse 10 hat somit eine hystereseverringernde
Wirkung im mechanischen Sinne.
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Wie 5 zeigt,
ist der elektrische Kontakt 9, 9' wenigstens im
Bereich der Metallhülse 10 auf der Unterseite
der Metallhülse 10 von der Isolationsschicht 18 umschlossen.
Als Isolationsschicht 18 können neben Kunststoffummantelungen,
wie zum Beispiel übliche ummantelte einadrige Kabel, auch
Isolationslacke und Isolationsbeschichtungen auf der Metallhülse,
insbesondere der Innenseite der Metallhülse angeordnet
werden.
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Zur
leichteren Montage des erfindungsgemäßen Ventils 1 ist
es vorteilhaft, wenn nur einer der Durchgänge 8, 8',
die außermittig um den Stößel bzw. das
Steuerelement 6 herum angeordnet sind, nämlich
der Durchgang 8, einen breiteren Durchmesser hat als der
oder die übrigen Durchgänge 8', so dass
der Anker 5 nur in einer Rotationslage tatsächlich
zusammenzubauen ist. Die unterschiedlichen Durchmesser der Durchgänge 8, 8' fördern
die Montagesicherheit und erleichtern den Montageprozess, insbesondere
bei durch Handarbeit zusammengebauten Ventilen 1.
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In
der Regel wird der Spulenkörper 4 mit zwei elektrischen
Kontakten, für den Plus- und den Minusanschluss, an den
Stecker 16 herangeführt. Bei geteilten Spulen
und anderweitig geformten Spulenkörpern kann es notwendig
sein, mehr als nur zwei Durchgänge 8, 8' durch
den Anker vorzusehen.
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Während
der Versuchsphase von erfindungsgemäßen Ventilen
wurde ein weiterer überraschender Effekt augenscheinlich.
Der Flachanker, der beidseitig von dem hydraulischen Medium umspült
und umströmt werden soll, legt ohne eine geeignete Rotierungshemmung
rotierende Bewegungen im Ankerraum zurück. Die rotierenden
Bewegungen scheinen sich negativ auf den Energieaufwand für
Druckregelventileinstellung auszuwirken. Insbesondere durch die
radiale Ortsbindung des Ankers beim Einsatz einer Hülse,
durch die das schwenkbewegliche Spiel nur noch im Umfang des Freiraums
b gegeben ist, lässt sich die aufzuwendende elektrische
Energie für ein erfindungsgemäßes Ventil
im Prozentbereich reduzieren. BEZUGSZEICHENLISTE:
| Bezugszeichen | Bedeutung |
| 1 | Druckventil |
| 2 | Ventilgehäuse |
| 3 | Wandler,
elektromagnetisch |
| 4 | Spulenkörper |
| 5 | Anker,
axial verschieblich |
| 6 | Steuerelement |
| 7 | Druckmittelöffnung |
| 8, 8' | Durchgang,
außermittig |
| 9, 9' | Kontakt |
| 10 | Metallhülse |
| 11 | Mittelachse |
| 12 | Flachanker |
| 13 | Proportional-Druckregelventil |
| 14 | Außensechskant |
| 15 | Deckel |
| 16 | Stecker |
| 17 | Dichtung |
| 18 | Isolationsschicht |
| a | Luftspalt,
insbesondere zwischen Isolationsschicht und Anker |
| b | Luftspalt,
insbesondere zwischen Metallhülse und Anker |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19713858
A1 [0003]
- - EP 1088182 [0004]
- - DE 4305789 A1 [0005]