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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Einspritzen von fluidem Brennstoff, wie Kraftstoff oder Gas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein bekanntes Einspritzventil für Kraftstoff (
DE 10 2011 006 202 A1 ) weist ein rohrförmiges Ventilgehäuse mit einem Kraftstoffzulauf und einem langgestreckten, hohlzylindrischen Ventilsitzkörper auf, der an dem vom Kraftstoffzulauf abgekehrten Ende des Ventilgehäuses aus diesem herausragt. Am gehäusefernen Ende des Ventilsitzkörpers sind eine Ventilöffnung und ein die Ventilöffnung umgebender Ventilsitz ausgebildet. Zum Steuern der Ventilöffnung ist im Ventilsitzkörper eine Ventilnadel axial geführt. Zum Schließen der Ventilöffnung greift eine Ventilschließfeder mit Zugkraft an der Ventilnadel an und setzt einen Schließkopf der Ventilnadel fluiddicht auf den Ventilsitz auf. Zum Freigeben der Ventilöffnung ist die Ventilnadel von einem piezoelektrischen Aktor beaufschlagt, der eine Druckkraft auf die Ventilnadel aufbringt, die den Schließkopf der Ventilnadel gegen die Zugkraft der Ventilschließfeder nach außen vom Ventilsitz abhebt. Am ventilsitzfernen Ende ist der Ventilsitzkörper von einem Innenrohr übergriffen, das sich koaxial im Ventilgehäuse erstreckt, den piezoelektrischen Aktor und die Ventilschließfeder fluiddicht aufnimmt und mit dem Ventilgehäuse einen mit dem Kraftstoffzulauf in Verbindung stehenden ringförmigen Strömungskanal begrenzt. Der Strömungskanal mündet in einer Filterkammer mit einliegendem Filter. Die Filterkammer ist über Radialbohrungen im Ventilsitzkörper mit einer der Ventilöffnung vorgelagerten Ventilkammer verbunden.
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Das Einspritzventil wird üblicherweise in eine Zylinderkopfbohrung eines einen Brennraum eines Verbrennungsmotors abdeckenden Zylinderkopfs eingesetzt und ragt mit seinem Ventilöffnung und Ventilsitz aufweisenden, freien Ende in den Brennraum hinein. Eine auf dem Ventilsitzkörper im Abstand von dessen freiem Ende gehaltene Dichtung dichtet den Ventilsitzkörper gegen die Bohrungswand der Zylinderbohrung ab, so dass die im Brennraum entstehenden heißen Verbrennungsgase nicht aus der Zylinderkopfbohrung austreten können und nur den Körperbereich des Ventilsitzkörpers vom freien Ende bis zur Dichtung beaufschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Einspritzen von fluidem Brennstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der im Schließkopf der Ventilnadel eingeschlossene Hohlraum eine Wärmeisolierung zur Ventilnadel bildet, die den Wärmeeintrag der Verbrennungsgase in die Ventilnadel reduziert. Durch diese Wärmedämmung wird ein Überhitzen der Ventilnadel mit den nachteiligen Folgen eines Härteverzugs und einer Härtereduzierung am Schließkopf vermieden, die für Undichtigkeiten und Zumessungenauigkeiten des Einspritzventils ursächlich sind.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zur Verbesserung der Wärmedämmung der Hohlraum hermetisch verschlossen. Eine Optimierung der Wärmedämmung wird durch das Vorhandensein eines Vakuums im Hohlraum oder durch Füllen des Hohlraums mit einem schlecht wärmeleitenden Medium erreicht. Als Medium wird ein fester Werkstoff, z. B. Teflon, oder ein Fluid, wie eine Flüssigkeit oder ein Gas, z. B. Kohlendioxid, verwendet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zur fertigungstechnisch einfachen Realisierung des Hohlraums in den Schließkopf eine zum Brennraum hin sich öffnende axiale Ausnehmung eingebracht und mittels eines in die Ausnehmung eingesetzten Verschlusselements abgedeckt.
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Das in die Ausnehmung eingesetzte Verschlusselement ist durch Pressung und/oder durch stoffschlüssige Verbindung im Schließkopf festgelegt, wobei die stoffschlüssige Verbindung eine fluiddichte Abdichtung des Hohlraums gewährleistet. Um das Vakuum im Hohlraum zu realisieren werden Montage des Verschlusselements und dessen stoffschlüssige Verbindung mit dem Schließkopf, z. B. mittels einer Umlaufschweißung, im Vakuum durchgeführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verschlusselement aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff hergestellt. Ein solcher Werkstoff mit geringem Wärmeleitkoeffizienten unterstützt die Wärmedämmung der Ventilnadel gegenüber den heißen Verbrennungsgasen. Ein solcher Werkstoff ist z. B. ein hochlegierter, austenitischer Stahl wie X5CrNi18-10.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die vom Verschlusselement abgedeckte Ausnehmung als Stufenbohrung mit einem durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt und mit einem diesem zum Brennraum hin vorgeordneten größeren Bohrungsabschnitt ausgeführt, in den das Verschlusselement bis auf Anschlag an dem durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt eingesetzt ist. Diese konstruktiven Maßnahmen erleichtern die Montage und stellen dabei die Herstellung eines definierten Holraumvolumens sicher.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verschlusselement eine Kugel oder ein in die Ausnehmung hinein vorgewölbter, dünnwandiger, konkaver Deckel, der vorzugsweise als Tiefziehteil hergestellt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Ventils zum Einspritzen von fluidem Brennstoff in seiner Einbaulage in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II des Ventils in 1 mit teilweise geschnittenem Schließkopf einer Ventilnadel,
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3 eine gleiche Darstellung wie in 2 mit einer Modifizierung des Ventils.
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Das in
1 im Längsschnitt nur mit seinem brennraumseitigen Ende dargestellte Einspritzventil für fluiden Brennstoff wird beispielsweise als Einspritzventil für Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Es kann aber auch Verwendung bei Gasmotoren oder Heizungsanlagen zum Zumessen von dosierten Gasmengen Verwendung finden. Ein komplettes Ventil dieser Art ist z.B. in der
DE 10 2011 006 202 A1 dargestellt und beschrieben.
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Das Ventil weist einen langgestreckten, hohlzylindrischen Ventilsitzkörper 11 auf, der an einem koaxialen Haltekörper 12 angeschweißt ist. Der Haltekörper 12 ist in ein hier nicht dargestelltes Ventilgehäuse eingeführt und in diesem festgelegt. Am gehäusefernen, brennraumseitigen Ende des Ventilsitzkörpers 11 sind am Ventilsitzkörper 11 eine Ventilöffnung 13 und ein die Ventilöffnung 13 umschließender Ventilsitz 14 ausgebildet. Zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung 13 wirkt der Ventilsitz 14 mit einem Schließkopf 151 einer Ventilnadel 15 zusammen. Die Ventilnadel 15 ist im Ventilsitzkörper 11 axial verschieblich geführt und in bekannter Weise von einer hier nicht dargestellten Ventilschließfeder mit ihrem Schließkopf 151 auf den Ventilsitz 14 aufgedrückt. Ein hier ebenfalls nicht dargestellter, piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor beaufschlagt bei seiner Aktivierung die Ventilnadel 15 mit einer Druckkraft, die den Schließkopf 151 gegen die Zugkraft der Ventilschließfeder nach außen vom Ventilsitz 14 abhebt. Mit Abheben des Schließkopfs 151 vom Ventilsitz 14 wird fluider Brennstoff, der in einer der Ventilöffnung 13 vorgelagerten Ventilkammer 16 unter Hochdruck steht, über die Ventilöffnung 13 fein zerstäubt in einen Brennraum 17 eingespritzt. Der in 1 ausschnittweise angedeutete Brennraum 17 ist beispielsweise in einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors integriert und stirnseitig von einem Zylinderkopf 18 abgeschlossen. Im Zylinderkopf 18 ist mindestens eine zum Brennraum 17 hin offene Aufnahmebohrung 19 vorhanden, in die das Ventil so eingesetzt ist, dass ein Teil des aus dem Ventilgehäuse 11 vorstehenden Haltekörpers 12 und der sich daran anschließende Ventilsitzkörper 11 in der Aufnahmebohrung 19 einliegen und das freie Ende des Ventilsitzkörpers 11 in den Brennraum 17 hineinragt. Im Axialabstand vom freien Ende des Ventilsitzkörpers 11 ist in den Ventilsitzkörper 11 eine Ringnut 20 eingestochen, in der eine Dichtung 21 einliegt. Die Dichtung 21 dichtet den Ventilsitzkörper 11 gegen die Bohrungswand der Aufnahmebohrung 19 ab, so dass heiße Verbrennungsgase aus dem Brennraum 17 nicht über die Aufnahmebohrung 19 abströmen können, jedoch den bis zur Dichtung 21 sich erstreckenden Körperbereich des Ventilsitzkörpers 11 umspülen.
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Um den Wärmeeintrag in die Ventilnadel 15 durch die heißen Verbrennungsgase im Brennraum 17 zu reduzieren, ist im Schließkopf 151 der Ventilnadel 15 ein Hohlraum 30 ausgebildet (2 und 3). Der Hohlraum 30 ist hermetisch abgeschlossen, so dass das im Hohlraum 30 eingeschlossene Luftvolumen eine gute Wärmedämmung gegen die heißen Verbrennungsgase im Brennraum 17 bildet. Die Wärmedämmung kann optimiert werden, wenn im Hohlraum 30 ein Vakuum herrscht oder der Hohlraum 30 mit einem schlecht wärmeleitenden Medium ausgefüllt ist. Als Medium kommt sowohl eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Wärmeleitkoeffizienten oder ein Gas, z.B. Kohlendioxid, als auch ein fester Werkstoff, z. B. Teflon, in Betracht. Zur Schaffung des Hohlraums 30 ist in den Schließkopf 151 eine zum Brennraum 17 hin sich öffnende Ausnehmung 31 eingebracht und die Ausnehmung 31 mit einem in die Ausnehmung 31 eingesetzten Verschlusselement 32 abgedeckt. Das Verschlusselement 32 ist in die Ausnehmung 31 eingepresst und zur Herbeiführung eines hermetischen Verschlusses mit dem Schließkopf 151 stoffschlüssig, z. B. durch Schweißen, verbunden. Die am Schließkopf 151 umlaufende Schweißnaht 33 ist in 2 und 3 an ihrer geschwärzten Querschnittsfläche zu erkennen.
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Zur Erleichterung der Montage und Sicherstellen eines definierten Hohlraumvolumens ist die Ausnehmung 31 als Stufenbohrung 34 mit einem durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt 341 und einem durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt 342, der dem durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt 341 zum Brennraum 17 hin vorgelagert ist, ausgeführt. Das Verschlusselement 32 ist in den durchmessergrößeren Bohrungsabschnitt 342 bis zum Anschlag an dem durchmesserkleineren Bohrungsabschnitt 341 eingepresst. Vorteilhaft ist das Verschlusselement 32 aus einem schlecht wärmeleitenden Material hergestellt. Ein Beispiel für ein solches, bevorzugt verwendetes Material mit einem niedrigen Wärmeleitkoeffizienten ist hochlegierter, austenitischer Stahl wie z. B. X5CrNi18-10. Das Verschlusselement 32 ist im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 als Kugel 35 und in dem modifizierte Ausführungsbeispiel der 2 als ein konkaver, in die Ausnehmung 31 hinein vorgewölbter, dünnwandiger Deckel 36 ausgebildet, der vorzugsweise tiefgezogen ist. Ansonsten stimmen die Ventilausführungen gemäß 1 und 2 überein, so dass gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Um auch den Wärmeeintrag der heißen Abgase im Brennraum 17 in den Ventilsitzkörper 11 zu reduzieren ist auf den den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzten Körperbereich des Ventilsitzkörpers 11 eine Hülse 22 aufgesetzt, die zum Ventilsitzkörper 11 hin einen Hohlraum 22 einschließt. Die Hülse 23 ist durch Schweißen auf dem Ventilsitzkörper 15 festgelegt, wodurch eine brennraumferne Schweißnaht 24 und eine im Brennraum 17 liegende, brennraumseitige Schweißnaht 25 entsteht. Die Hülse 23 ist als dünnwandiges Tiefziehteil aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Edelstahl 1.4310, gefertigt. Im Hohlraum 22 herrscht vorzugsweise ein Vakuum. Alternativ ist der Hohlraum 22 mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Stoff oder Medium gefüllt, der oder das schlecht wärmeleitend ist, also einen geringen Wärmeleitkoeffizienten besitzt. Das Vakuum in den beiden Hohlräumen 30 und 22 im Schließkopf 151 und am Ventilsitzkörper 11 lässt sich problemlos dadurch erzeugen, dass die Montage und Schweißung des Verschlusselements 32 am Schließkopf 151 und der Hülse 23 am Ventilsitzkörper 11 unter Vakuum vorgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011006202 A1 [0002, 0016]
