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Die Erfindung betrifft einen Injektor mit einem Aktorraum, in dem ein Aktor angeordnet ist, einer Steuerplatte, in der eine Steuerkolbenbohrung vorgesehen ist, einem Steuerkolben, der in der Steuerkolbenbohrung der Steuerplatte angeordnet ist, wobei der Steuerkolben eine dem Aktor zugewandte erste Stirnseite aufweist, wobei ein durch die erste Stirnseite begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung einen Steuerraum bildet, wobei ein dem Steuerraum gegenüberliegender Abschnitt der Steuerkolbenbohrung einen Federraum bildet, wobei der Steuerkolben zwischen dem Steuerraum und dem Federraum angeordnet ist, wobei umfangsseitig des Steuerkolbens zwischen dem Steuerkolben und der Steuerkolbenbohrung ein Spalt mit einer Spaltbreite vorgesehen ist.
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Stand der Technik
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Um den Kraftstoff in Brennkraftmaschinen einzuspritzen, wird unter anderem eine Kraftstoffdirekteinspritzung verwendet. Dazu werden Piezoinjektoren verwendet, deren Düsennadel mittels eines Piezoaktors angetrieben wird. Hierbei ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen Piezoaktor und Düsennadel erforderlich, die jedoch aufgrund thermischer Längenänderungen im Piezoinjektor nur schwer einzuhalten ist. Um dieses Problem zu beseitigen, wird die Düsennadel hydraulisch mit dem Piezoaktor gekoppelt. Dazu weist der Piezoinjektor einen Aktorraum auf, in dem der Piezoaktor angeordnet ist. In einer Steuerkolbenbohrung ist ein Steuerkolben angeordnet. Der Steuerkolben weist eine dem Piezoaktor zugewandte erste Stirnseite auf. Ein durch die erste Stirnseite begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung bildet einen ersten Steuerraum aus. Ein dem ersten Steuerraum gegenüberliegender Abschnitt der Steuerkolbenbohrung bildet einen Federraum aus. Der Steuerkolben ist zwischen dem ersten Steuerraum und dem Federraum angeordnet. Eine Düsennadel weist eine zweite Stirnseite auf. Die Düsennadel führt eine Düsennadelhülse, wobei die Düsennadelhülse und die zweite Stirnseite einen zweiten Steuerraum begrenzen. Ferner ist eine Verbindungsbohrung zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten Steuerraum vorgesehen. Ein Leckagepin, der zwischen dem Piezoaktor und der ersten Stirnseite und in einer Leckagestiftbohrung angeordnet ist, stellt eine Kopplung des Piezoaktors und des Steuerkolbens zur Verfügung. Wird der Piezoaktor betätigt, so drückt der Leckagepin auf den Steuerkolben und verschiebt diesen in Richtung der Düsennadel.
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Aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Steuerraum und dem Federraum findet ein Fluidstrom seitlich durch einen Spalt zwischen dem Steuerkolben und der Steuerkolbenplatte statt. Der Fluidstrom ist dabei abhängig von der Spaltbreite und der Temperatur des Kraftstoffs. Aufgrund der starken Temperaturunterschiede im Betrieb des Injektors mit kalten und heißen Kraftstoffen sowie mit kalter und heißer Brennkraftmaschine ändert sich der Fluidstrom in Abhängigkeit der Temperatur des Injektors und des Kraftstoffs. Dies kann zu einem veränderten Betriebsverhalten führen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Injektor bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Injektors gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannte, dass ein verbesserter Injektor dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Injektor einen Aktorraum, in dem ein Aktor angeordnet ist, eine Kolbenführung in der eine Bohrung vorgesehen ist, und einen Kolben, der in der Bohrung der Kolbenführung angeordnet ist, umfasst. Der Kolben weist eine dem Aktor zugewandte erste Stirnseite auf. Der Kolben begrenzt mit der ersten Stirnseite einen ersten in und/oder an der Bohrung angeordneten ersten Raum. Der Kolben begrenzt mit einer dem ersten Raum gegenüberliegenden zweiten Stirnseite einen in und/oder an der Bohrung angrenzenden zweiten Raum, wobei der Kolben zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum angeordnet ist. Umfangsseitig des Kolbens ist zwischen dem Kolben und der Bohrung ein Spalt mit einer Spaltbreite vorgesehen. Der Kolben weist einen ersten Werkstoff und die Kolbenführung einen zweiten Werkstoff auf, wobei der erste Werkstoff bei Erwärmung eine erste Wärmeausdehnung und der zweite Werkstoff bei Erwärmung eine zur ersten Wärmeausdehnung unterschiedliche zweite Wärmeausdehnung aufweist. Der erste Werkstoff ist zu dem zweiten Werkstoff derart gewählt, dass bei Erwärmung der Kolbenführung und/oder des Kolbens die Spaltbreite des Spalts abnimmt, um eine Kraftstoffleckage zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum zu begrenzen.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass bei Erwärmung des Kraftstoffs und/oder des Injektors durch die sich reduzierende Spaltbreite der Kraftstoffleckagestrom zwischen dem ersten und dem zweiten Raum reduziert wird. Dadurch weist der Injektor ein verbessertes Betriebsverhalten auf und kann feiner und gezielter angesteuert werden. Gleichzeitig kann die Spaltbreite gezielt an die Schmiereigenschaften des Kraftstoffs verbessert angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Werkstoff und der zweite Werkstoffe derart gewählt, dass bei Erwärmung der Kolbenführung und/oder des Kolbens eine Leckage des Kraftstoffs durch den Spalt im Wesentlichen über die Erwärmung der Kolbenführung und/oder des Kolbens konstant ist. Auf diese Weise werden ein besonders stabiles Betriebsverhalten und ein besonders gutes Ansteuerverhalten des Injektors bereitgestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Werkstoff einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der zweite Werkstoff einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff derart gewählt sind, dass der erste Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner ist als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient. Auf diese Weise wird eine Verspannung der Kolbenführung innerhalb eines Gehäuses des Injektors vermieden und gleichzeitig die Spaltbreite bei einer Erwärmung reduziert.
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Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der erste Werkstoff einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der zweite Werkstoff einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei die beiden Werkstoffe derart gewählt sind, dass die beiden Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Unterschied von 3 bis 12·10–6 K–1, insbesondere 5 bis 10·10–6 K–1 aufweisen.
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Ebenso hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der erste Werkstoff einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5 bis 25·10–6 K–1 und der zweite Werkstoff einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10 bis 30·10–6 K–1 aufweist.
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Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der eine der beiden Werkstoffe Hartmetall, insbesondere in einer Zusammensetzung aufweisend wenigstens 70 Prozent, vorzugsweise wenigstens 90 Wolframcarbid und 1 bis 30 Prozent, vorzugsweise 1 bis 10 Prozent, Kobalt oder Nickel-Chrom oder Nickel-Chrom-Kobalt und der andere der beiden Werkstoffe Stahl, insbesondere ein unlegierter oder niedriglegierter Stahl, ist.
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Ebenso vorteilhaft ist, wenn der eine der beiden Werkstoffe Titan aufweist, insbesondere wenigstens 50 Prozent, vorzugsweise wenigstens 80 Prozent, und der andere der beiden Werkstoffe einen Stahl aufweist, der wenigstens eines der folgenden Metalle umfasst: Chrom, Nickel, Mangan, Kupfer.
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Des Weiteren ist vorteilhaft, wenn der eine der beiden Werkstoffe Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12 bis 16·10–6 K–1 und der andere der beiden Werkstoffe einen Manganstahl, insbesondere einen MnNi10Cu18 oder MnNi16Cu10, aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Kolbenführung eine Steuerplatte oder eine Leckagepinbohrung oder eine Düsennadelhülse und der Kolben korrespondierend zur Kolbenführung ein Steuerkolben oder ein Leckagepin oder eine Düsennadel.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Aktor ein Piezoaktor ist.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines oberen Teils eines Injektors;
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2 eine Schnittansicht eines unteren Teils des Injektors;
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3 eine vergrößerte Ansicht der in 2 gezeigten Schnittansicht des Injektors; und
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4 ein Diagramm einer kinetischen Viskosität eines Kraftstoffs aufgetragen über einer Temperatur des Kraftstoffs.
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1 zeigt eine Schnittansicht eines oberen Teils 10 eines Injektors 15. 2 zeigt eine Schnittansicht eines unteren Teils 20 des in 1 gezeigten Injektors 15. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des in 2 gezeigten Injektors 15. 4 zeigt ein Diagramm einer kinetischen Viskosität cSt eines Kraftstoffs aufgetragen über einer Temperatur T des Kraftstoffs. Nachfolgend werden die 1 bis 4 zum besseren Verständnis gemeinsam erläutert. Der Injektor 15 ist in der Ausführungsform als Piezoinjektor ausgebildet. Der Injektor 15 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, insbesondere zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in eine Common-Rail-Brennkraftmaschine, dienen.
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Der Injektor 15 weist ein Injektorgehäuse 25 auf. In dem Injektorgehäuse 25 ist eine Hochdruckbohrung 30 vorgesehen. Ferner ist ein Hochdruckanschluss 35 oberseitig an dem Injektorgehäuse 25 vorgesehen, durch den ein unter Druck stehender Kraftstoff in die Hochdruckbohrung 30 zugeführt werden kann. Die Hochdruckbohrung 30 verläuft im Wesentlichen in Längsrichtung durch das Injektorgehäuse 25 bis zu einem Hochdruckbereich 40 im unteren Teil 20 des Injektors 15. Ferner weist das Injektorgehäuse 25 im oberen Teil 10 des Injektors 15 einen Aktorraum 45 auf. In dem Aktorraum 45 ist ein Aktor 50 angeordnet. Der Aktor 50 ist in der Ausführungsform als Piezoaktor ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Piezoaktor als vollaktiver Piezostapel ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch andere Aktoren, insbesondere elektrische Aktoren 50 denkbar. Der Aktor 50 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und über einen elektrischen Anschluss 55 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar. Wird die elektrische Spannung verändert, kann eine Länge des Aktors 50 in Längsrichtung des Injektors 15 verändert werden.
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Im unteren Teil 20 (vgl. 2 und 3) weist der Injektor 15 eine Steuerplatte 60 auf, in der eine Steuerkolbenbohrung 65 angeordnet ist. In der Steuerkolbenbohrung 65 ist ferner ein Steuerkolben 70 angeordnet. Der Steuerkolben 70 weist eine in Richtung des Aktors 50 weisende erste Stirnseite 75 auf. Ein durch die erste Stirnseite 75 begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung 65 bildet einen ersten Steuerraum 80 aus. An dem zum ersten Steuerraum 80 gegenüberliegenden Längsende des Steuerkolbens 70 bildet der Steuerkolben in der Steuerkolbenbohrung 65 mit seiner zweiten Stirnseite 86 einen Federraum 85 aus. Der Steuerkolben 70 ist zwischen dem ersten Steuerraum 80 und dem Federraum 85 axial verschiebbar angeordnet.
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Im Federraum 85 ist eine Steuerkolbenfeder 90 angeordnet, die in der Ausführungsform beispielhaft als Spiraldruckfeder ausgebildet ist. Dabei stützt sich ein erstes Längsende der Steuerkolbenfeder 90 oberseitig am Steuerkolben 70 und unterseitig an einer Stirnseite der Steuerkolbenbohrung 65 ab. Dabei beaufschlägt die Steuerkolbenfeder 90 den Steuerkolben 70 mit einer in Längsrichtung bzw. in Richtung des ersten Steuerraums 80 wirkenden Kraft. Der Federraum 85 ist über eine Hochdruckverbindung 95 mit dem Hochdruckbereich 40 verbunden. Im Betrieb des Injektors 15 ist der Hochdruckbereich 40 über die Hochdruckbohrung 30 stets mit Kraftstoff geflutet. Ferner liegt im Betrieb des Injektors 15 im Federraum 85 stets der im Hochdruckbereich 40 herrschende Druck vor. Je nach Betriebszustand weist der im Hochdruckbereich 40 vorhandene Kraftstoff unterschiedliche Temperaturen auf. Die unterschiedlichen Temperaturen T resultieren in einer unterschiedlichen kinetischen Viskosität cSt des Kraftstoffs (vgl. 4).
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Zwischen dem Aktor 50 und der Steuerkolbenbohrung 65 ist ein Leckagepin 100 vorgesehen. Der Leckagepin 100 ist dabei derart bemessen, dass eine Vergrößerung einer Länge des Aktors 50 über den Leckagepin 100 auf den Steuerkolben 70 übertragen wird. Der Leckagepin 100 ist dabei in einer Leckagepinbohrung 105 einer Leckagepinplatte 106 angeordnet und bildet einen Kolben aus. Die Leckagepinbohrung 105 dient dabei als (Kolben-)führung des Leckagepins 100.
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Im unteren Teil 20 des Injektors 15 mündet die Hochdruckbohrung 95 in den Hochdruckbereich 40. Ferner ist im Hochdruckbereich 40 eine Düsennadel 110 angeordnet. Die Düsennadel 110 führt eine Düsennadelhülse 115, bildet jedoch selbst in der Düsennadelhülse 115 einen Kolben aus. Ein in Richtung der Steuerkolbenplatte 60 weisendes Längsende der Düsennadel 110 weist eine Stirnseite 120 auf. Die Stirnseite 120 bildet zusammen mit der Düsennadelhülse 115 und der Steuerplatte 60 einen zweiten Steuerraum 125 aus. Der zweite Steuerraum 125 ist über eine Verbindungsbohrung 130 mit dem ersten Steuerraum 80 fluidisch verbunden.
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Die Düsennadel 110 weist einen umfangsseitig umlaufenden Kragen 135 auf. Zwischen dem Kragen 135 und der Düsennadelhülse 115 ist eine Düsennadelfeder 140 angeordnet. Dabei stützt sich die Düsennadelfeder 140 mit einem ersten Längsende an der Düsennadelhülse 115 und mit einem zweiten Längsende an dem Kragen 135 ab. Dabei beaufschlagt die Düsennadelfeder 140 die Düsennadel mit einer vom zweiten Steuerraum 125 bzw. einer vom oberen Teil 10 weggerichteten Kraft.
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In geschlossenem Zustand des Injektors 15 liegt die Düsennadel 110 an einer unteren Spitze 145 des unteren Teils 20 des Injektors 15 an. Dabei ist der Aktor 50 entladen und weist somit seine geringste Länge auf. In diesem Zustand wird über den Injektor 15 kein Kraftstoff in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt. Dieser Zustand ist in den 1 bis 3 dargestellt.
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Wird der Aktor 50 über den elektrischen Anschluss 55 mit elektrischer Energie beaufschlagt, erhöht sich die Länge des Aktors 50. Dabei wird über den Leckagepin 100 eine Kraft des Aktors 50 auf den Steuerkolben 70 übertragen. Durch die Kraft wird der Steuerkolben 70 in der Steuerkolbenbohrung 65 in Richtung der Düsennadel 110 verschoben. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten Steuerraums 80, wodurch der Druck im ersten Steuerraum 80 und auch im über die Verbindungsbohrung 130 gekoppelten zweiten Steuerraum 125 reduziert wird. Dadurch wirkt durch den reduzierten Druck im zweiten Steuerraum 125 eine reduzierte Kraft auf die zweite Stirnseite 120 der Düsennadel 110. Auf die Düsennadel 110 wirkt in einem unteren Bereich der Düsennadel 110 weiterhin der Druck des Hochdruckbereichs 40 in Richtung des zweiten Steuerraums 125. Durch den Druckabfall im zweiten Steuerraum 125 und den gleichbleibenden Druck am unteren Ende der Düsennadel 110 wird die Düsennadel 110 angehoben und der Injektor 15 geöffnet, so dass Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 40 in eine Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Wird der Aktor 50 anschließend deaktiviert und somit verkürzt, so bewirken der im Federraum 85 herrschende hohe Druck und die durch die Steuerkolbenfeder 90 auf den Steuerkolben 70 ausgeübte Kraft eine Bewegung des Steuerkolbens 70 in Richtung des ersten Steuerraums 80. Dadurch wird der Druck in dem ersten Steuerraum 80 und wegen der zwischen dem ersten Steuerraum 80 und dem zweiten Steuerraum 125 vorherrschenden Verbindungsbohrung 130 auch im zweiten Steuerraum 125 erhöht. Durch den erhöhten Druck im zweiten Steuerraum 125 wird die Düsennadel 110 in Richtung der Spitze 145 des unteren Teils 20 des Injektors 15 gedrückt, so dass der Injektor 15 verschlossen wird und die Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer beendet wird.
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Um ein Fressen des Steuerkolbens 70 in der Steuerkolbenbohrung 65 der Steuerplatte 60 zu vermeiden, weist der Steuerkolben 70 umfangsseitig einen Spalt 150 auf, der zwischen dem Steuerkolben 70 und der Steuerkolbenbohrung 65 angeordnet ist. Der Spalt 150 weist selbst eine Spaltbreite b auf. Wird, wie oben bereits erläutert, der Steuerkolben 70 in Richtung der Düsennadel durch den Leckagepin 100 gedrückt, so strömt Kraftstoff aus dem Federraum 85 über den Spalt 150 in den ersten Steuerraum 80. Dies führt zu einem Druckausgleich zwischen dem Federraum 85 und dem ersten Steuerraum 80.
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Der Volumenstrom des durch den Spalt 150 strömenden Kraftstoffs ist abhängig von der Viskosität des Kraftstoffs. Dabei weist der Kraftstoff, wie in 4 gezeigt, eine über die Temperatur stark abnehmende kinetische Viskosität cSt auf. Üblicherweise kann der Kraftstoff, insbesondere der Dieselkraftstoff, eine Temperatur von –30 °C bis 100 °C aufweisen. Dies bewirkt, dass bei gleicher Spaltbreite b des Spalts 150 mit ansteigender Temperatur T die Leckageverluste durch den Spalt 150 ansteigen.
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Die durch die Steuerkolbenfeder 90 auf den Steuerkolben 70 ausgeübte Federkraft sorgt dafür, dass der Steuerkolben 70 in geschlossenem Zustand des Injektors 15 am Leckagepin 100 anliegt. Dadurch sind der Aktor 50, der Leckagepin 100 und der Steuerkolben 70 spielfrei miteinander gekoppelt.
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Der Leckagepin 100 stellt zusammen mit der Leckagepinbohrung 105 ein erstes Paarungsspiel 155 bereit. Das erste Paarungsspiel 155 ist dabei derart gewählt, dass umfangsseitig zwischen Leckagepin 100 und Leckagepinbohrung 105 ein zweiter nicht dargestellter Spalt vorgesehen ist und zwischen der Leckagepinbohrung 105 und dem Leckagepin 100 eine erste Leckage 160 aus dem ersten Steuerraum 80 in Richtung des Aktorraums 45 erfolgen kann. Vom Aktorraum 45 kann die erste Leckage 160 über einen Leckageanschluss 165 aus dem Injektor 15 entweichen.
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Durch den Spalt 150 zwischen dem Steuerkolben 70 und der Steuerkolbenbohrung 65 tritt, wenn der Druck im ersten Steuerraum 80 geringer ist als der Druck im Federraum 85, eine zweite Leckage 70 vom Federraum 85 in den Steuerraum 80 entlang des Steuerkolbens 70 durch den Spalt 150 auf.
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Zusätzlich kann der Steuerkolben 70 eine Drosselbohrung 75 aufweisen, die den Federraum 85 mit dem ersten Steuerraum 80 fluidisch verbindet. In diesem Fall tritt durch die Drosselbohrung 175 eine dritte Leckage 180 vom Federraum 85 in den ersten Steuerraum 80 auf.
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Die Düsennadel 110 wird in der Düsennadelhülse 115 über ein zweites Paarungsspiel 185 geführt. Das zweite Paarungsspiel 185 ist dabei derart gewählt, dass umfangsseitig zwischen der Düsennadel 110 und der Düsennadelhülse 115 ein zweiter nicht dargestellter Spalt vorgesehen ist. Durch das zweite Paarungsspiel 185 kann es, wenn der Druck im zweiten Steuerraum 125 geringer ist als der Druck im Hochdruckbereich 40, zu einer vierten Leckage 190 aus dem Hochdruckbereich 40 in den zweiten Steuerraum 125 kommen.
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Im geschlossenen Zustand des Injektors 15 kommt es durch die erste Leckage 160 entlang des Leckagepins 100 zu einem Abfluss von Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum 80. Um einen Druckabfall im ersten Steuerraum 80 zu vermeiden, der zu einem unbeabsichtigten Öffnen der Düsennadel 110 führen kann, muss der durch die erste Leckage 160 abströmende Kraftstoff durch die zweite Leckage 170, die dritte Leckage 180 und/oder die vierte Leckage 190 ausgeglichen werden. Wenn die Drosselbohrung 175 nicht vorhanden ist, entfällt die dritte Leckage 180, so dass die Summe der zweiten Leckage 170 und der vierten Leckage 190 wenigstens so groß wie die erste Leckage 160 ist. Bei vorhandener Drosselbohrung 175 ist die Summe aus der zweiten Leckage 170, der dritten Leckage 180 und der vierten Leckage 190 wenigstens so groß wie die erste Leckage 160.
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Im geöffneten Zustand der Düsennadel 110 und damit des Injektors 15 kommt es durch die zweite Leckage 170, die dritte Leckage 180 und/oder die vierte Leckage 190 zu einem Zufluss von Kraftstoff in den ersten Steuerraum 80 und den zweiten Steuerraum 125. Der Zufluss von Kraftstoff bewirkt eine Druckerhöhung im ersten Steuerraum 80 bzw. im zweiten Steuerraum 125. Dabei ist, um ein unbeabsichtigtes vorzeitiges Schließen der Düsennadel 110 und damit des Injektors 15 zu vermeiden, darauf zu achten, dass die Druckzunahme im ersten Steuerraum 80 bzw. im zweiten Steuerraum 125 gering gehalten wird.
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Ferner sind die zweite Leckage 170 und die vierte Leckage 190 so zu wählen, dass ein ungewolltes Öffnen der Düsennadel 110 bei sehr steilen Druckanstiegen im Hochdruckbereich 40 verhindert wird. Wie bereits oben erläutert und in 4 gezeigt, weist der Kraftstoff eine über die Temperatur verlaufende sich ändernde Viskosität auf. Bei der Auslegung der Spaltbreite b des Spalts 150 des Steuerkolbens 70, aber auch der Paarungsspiele 155, 185 ist dabei zu beachten, dass sich der Steuerkolben 70 bei hohen Temperaturen des Kraftstoffs nicht in der Steuerkolbenbohrung 65 verklemmt und es so zu einem Fressen des Steuerkolbens 70 in der Steuerkolbenbohrung 65 kommt. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass die zweite Leckage 170 ausreichend groß durch den Spalt 150 ist.
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Analog gilt dies ebenso für den Leckagepin 100 in der Leckagepinbohrung 105 und der ersten Leckage 160 sowie für die vierte Leckage zwischen der Düsennadelhülse 115 und der Düsennadel 110.
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Um die Leckagen 160, 170, 180, 190 gezielt temperaturabhängig zu beeinflussen, weist in der Ausführungsform der Steuerkolben 70 beispielhaft einen ersten Werkstoff und die Steuerkolbenplatte 60 einen zweiten Werkstoff auf. Der erste Werkstoff weist bei Erwärmung eine erste Wärmeausdehnung auf. Der zweite Werkstoff weist bei Erwärmung eine zweite Wärmeausdehnung auf. Die zweite Wärmeausdehnung unterscheidet sich dabei von der ersten Wärmeausdehnung. Dabei sind der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff derart gewählt, dass bei Erwärmung der Steuerplatte 60 und des Steuerkolbens 70 die Spaltbreite b des Spalts 150 abnimmt, um die zweite Leckage 170 zwischen dem Federraum 85 und dem ersten Steuerraum 80 bei zunehmender Temperatur T des Kraftstoffs zu begrenzen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass auch der Leckagepin 100 und die Leckagepinplatte 106, in der die Leckagepinbohrung 105 angeordnet ist, ebenso eine derartige Werkstoffkombination aufweisen. Gleiches gilt auch für die Düsennadelhülse 115 und die Düsennadel 110, wobei die Düsennadel 115 den zweiten Werkstoff und die Düsennadel 110 den ersten Werkstoff aufweisen. Dadurch kann auch die erste Leckage 160 am Leckagepin 100 bzw. die vierte Leckage 190 zwischen der Düsennadelhülse 115 und der Düsennadel 110 durch eine Ausdehnung des Werkstoffs der Düsennadel 110 bzw. des Leckagepins 100 bei Erwärmen der Düsennadel 110 bzw. des Leckagepins 100 reduziert werden, da das Paarungsspiel 155, 185 zwischen dem Leckagepin 100 und der Leckagepinbohrung 105 bzw. der Düsennadel 110 und der Düsennadelhülse 115 mit zunehmender Erwärmung geringer bzw. die jeweils vorliegenden Spalte zwischen Leckagepin 100 und Leckagepinbohrung 105 bzw. zwischen Düsennadel 110 und Düsennadelhülse 115 enger werden.
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Die Werkstoffe können dabei so gewählt werden, dass bei Erwärmung der Steuerplatte 60 und/oder des Steuerkolbens 70 die zweite Leckage 170 durch den Spalt 150 im Wesentlichen über die Erwärmung der Steuerplatte 60 und/des Steuerkolbens 70 hinweg konstant ist. Auch sind in der Ausführungsform die Werkstoffe der Düsennadel 110, Düsennadelhülse 115, Leckagepin 100 und Leckagepinplatte 106 analog zu dem Steuerkolben 70 und der Steuerplatte 60 gewählt. Dadurch kann ein besonders gutes Steuerverhalten des Injektors 15, insbesondere ein unerwünschtes Öffnen oder Schließen der Düsennadel 110, vermieden werden.
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Der erste Werkstoff weist einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der zweite Werkstoff einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dabei sind die Werkstoffe des Steuerkolbens 70 bzw. der Steuerplatte 60 derart gewählt, dass der erste Wärmeausdehnungskoeffizient geringer ist als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient. Insbesondere wenn der erste Werkstoff Hartmetall, insbesondere in einer Zusammensetzung mit wenigstens 70 vorzugsweise 90 Prozent Wolframcarbid und 1 bis 30 Prozent vorzugsweise 1 bis 10 Kobalt, aufweist und wenn der zweite Werkstoff Stahl, insbesondere ein unlegierter oder niedrig legierter Stahl ist, kann auf diese Weise das Betriebsverhalten des Injektors 15 über die Erwärmung des Injektors 15 hinweg gleichbleibend gehalten werden.
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Alternativ zu dem oben genannten Anteil des Kobalts des ersten Werkstoffs kann dieser durch einen Nickel-Chrom Anteil bzw. einen Nickel-Chrom-Kobalt Anteil ersetzt werden, so dass der erste Werkstoff wenigstens 70 Prozent, vorzugsweise 90 Prozent Wolframkarbid und 1 bis 30 Prozent, vorzugsweise 1 bis 10 Prozent Nickel-Chrom oder Nickel-Chrom-Kobalt aufweist.
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Dadurch, dass die Steuerplatte 60 aus Stahl ist, weist sie ein ähnliches Erwärmungsverhalten wie das Injektorgehäuse 25 auf. Gleichzeitig wird der Spalt 150 durch den Steuerkolben 70 aus Hartmetall bei Erwärmung in seiner Spaltbreite b reduziert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Es wird betont, dass alternativ zu der oben beschreiben Ausgestaltung des Injektors 15 auch nur eine oder zwei der drei Kombinationen aus Kolbenführung (Steuerplatte 60, Leckagepinplatte 106, Düsennadel 110) und Kolben (Steuerkolben 70, Leckagepin 100, Düsennadelhülse 115) die obengenannte Werkstoffkombination aufweist. Besonders einfach ist die Ausgestaltung umsetzbar, wenn ausschließlich der Steuerkolben 70 den ersten Werkstoff und die Steuerkolbenplatte 60 den zweiten Werkstoff aufweisen, um die zweite Leckage 170 zwischen dem Federraum 85 und dem ersten Steuerraum 80 zu begrenzen.
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Alternativ zu den eben genannten Werkstoffen ist auch denkbar, dass andere Werkstoffe als die eben genannten für den Steuerkolben 70 bzw. die Steuerplatte 60 und/oder für die Leckagepinplatte 106 und den Leckagepin 100 und/oder für die Düsennadelhülse 115 und die Düsennadel 110 verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Werkstoffe derart gewählt sind, dass die beiden Werkstoffe im Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Unterschied von 3 bis 10·10–6 K–1, insbesondere 5 bis 10·10–6 K–1, aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn der erste Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Werkstoffs 5 bis 25·10–6 K–1 und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Werkstoffs 10 bis 30·10–6 K–1 beträgt.
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Alternativ zu der oben genannten Werkstoffkombination aus Hartmetall und Stahl ist auch eine Werkstoffkombination aus Titan denkbar, insbesondere wenn der erste Werkstoff 50 Prozent, vorzugsweise 80 Prozent Titan, aufweist und der andere Werkstoff Stahl ist. Dabei ist von Vorteil, wenn der Stahl wenigstens eines der folgenden Metalle umfasst: Chrom, Nickel, Mangan, Kupfer.
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Alternativ ist auch denkbar, dass eine Werkstoffkombination für den ersten Werkstoff bzw. den zweiten Werkstoff gewählt wird, bei dem wenigstens einer der beiden Werkstoffe Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 12 bis 10·10–6 K–1 und der andere der beiden Werkstoffe einen Manganstahl aufweist. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn der Manganstahl ein MnNi10Cu18 oder ein MnNi16Cu10 ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die genannten Werkstoffkombinationen aus erstem Werkstoff und zweitem Werkstoff sowohl für die Steuerplatte 60 und den Steuerkolben 70 aber auch für den Leckagepin 100 und die Leckagepinplatte 106 und/oder für die Düsennadelhülse 115 und die Düsennadel 110 geeignet sind.
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Auch ist denkbar, dass die oben genannten Werkstoffkombinationen untereinander kombiniert werden.
