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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem Steuerventil. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 2524132 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem Steuerventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt.
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Der bekannte Kraftstoffinjektor weist eine in einem Druckraum längsverschiebbar angeordnete Düsennadel auf. Der Druckraum wird mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gespeist. Die Düsennadel wirkt durch ihre Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung in den Brennraum. Die Längsbewegung der Düsennadel wird durch den Druck in einem Steuerraum gesteuert, wobei der Druck in dem Steuerraum von einem Steuerventil gesteuert wird. Das Steuerventil umfasst eine von einem Aktor bewegbare Ankerhülse und einen an einem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz. Die Ankerhülse wirkt in Längsrichtung mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer hydraulischen Verbindung von dem Steuerraum zu einem Niederdruckraum zusammen. In der Ankerhülse ist eine Führungsbohrung ausgebildet. Die Ankerhülse ist von einem in der Führungsbohrung angeordneten Ventilbolzen radial geführt.
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Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor gestaltet sich die Fixierung des Ventilbolzens innerhalb des Injektorgehäuses schwierig. Beispielsweise kann der Ventilbolzen an dem dem Ventilsitz gegenüberliegenden Ende eine Sacklochbohrung aufweisen und dort an einem Führungsstift des Injektorgehäuses geführt sein. In dieser Ausführung wäre die Dauerfestigkeit von Ventilbolzen und Führungsstift reduziert.
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Alternativ kann die Ankerhülse auch außen von einem Fortsatz des Ventilkörpers geführt sein, wie beispielsweise aus der
EP-2839143 bekannt, was jedoch konstruktiv aufwendig ist und auch zusätzlichen Bauraum benötigt.
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Auch bei dieser Ausführung ist jedoch ein Ventilbolzen erforderlich, wenn das Steuerventil kraftausgeglichen sein soll. Im Falle einer Innen- und Außenführung der Ankerhülse besteht jedoch der Nachteil einer statischen Überbestimmtheit. Dadurch ist das Steuerventil in dieser Ausführung sehr empfindlich gegenüber Toleranzen und dementsprechend verschleißanfällig.
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Alternativ kann der Ventilbolzen auch „schwimmend“, also frei bzw. undefiniert gelagert sein. Dadurch kann es jedoch zu Verschleiß und Funktionsstörungen an dem Steuerventil kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber ist das Steuerventil des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors robuster gegenüber Toleranzen, weniger verschleißanfällig, besitzt eine höhere Dauerfestigkeit und weist somit eine längere Lebensdauer auf.
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Dazu weist der Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eine in einem Druckraum längsverschiebbar angeordnete Düsennadel auf. Der Druckraum wird mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gespeist. Die Düsennadel wirkt durch ihre Längsbewegung mit einem Düsennadelsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung in den Brennraum. Die Längsbewegung der Düsennadel wird durch den Druck in einem Steuerraum gesteuert, wobei der Druck in dem Steuerraum von einem Steuerventil gesteuert wird. Das Steuerventil umfasst eine von einem Aktor bewegbare Ankerhülse und einen an einem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz. Die Ankerhülse wirkt in Längsrichtung mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer hydraulischen Verbindung von dem Steuerraum zu einem Niederdruckraum zusammen. In der Ankerhülse ist eine Führungsbohrung ausgebildet. Die Ankerhülse ist von einem in der Führungsbohrung angeordneten Ventilbolzen radial geführt. Erfindungsgemäß ist an dem Ventilbolzen ein Schaft ausgebildet, wobei der Schaft in den Ventilkörper eingepresst ist.
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Dadurch ist der Ventilbolzen mit dem Schaft in dem Ventilkörper fixiert. Durch den Pressverband ist der Ventilkörper sehr steif mit dem Schaft des Ventilbolzens verbunden, so dass die Ankerhülse sehr exakt zum Ventilbolzen positioniert wird. Auf dem Ventilbolzen wiederum wird die Ankerhülse geführt, und der Ventilsitz ist am Ventilkörper ausgebildet. Das Zusammenwirken von Ankerhülse und Ventilsitz kann damit annähernd koaxial geführt werden, da lediglich die Toleranzen der drei Bauteile Ventilbolzen, Ankerhülse und Ventilkörper die Positionierung von Ankerhülse und Ventilsitz zueinander beeinflussen. In dieser Ausführung ist die Positionierung von Ankerhülse zu Ventilsitz besonders genau, wodurch der Verschleiß des Steuerventils minimiert und die Lebensdauer erhöht wird. Zusätzlich wird bei geschlossenem Steuerventil eine Leckage zwischen Ankerhülse und Ventilsitz minimiert bzw. verhindert. Weiterhin erfolgt durch diese Ausführung keine Schwächung der Festigkeit des Ventilbolzens.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind an dem Ventilkörper ein Anschlag und an dem Schaft eine Bolzenschulter ausgebildet, wobei die Bolzenschulter mit dem Anschlag in axialer Richtung zusammenwirkt. Dadurch ist der Ventilbolzen in axialer Richtung, also in Bewegungsrichtung der Ankerhülse, in dem Ventilkörper fixiert.
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Vorteilhafterweise ist der Ventilbolzen mit seiner Bolzenschulter gegen den Anschlag vorgespannt. Dadurch wird eine ungewollte axiale Bewegung des Ventilbolzens besonders effektiv unterbunden. Die Vorspannkraft kann beispielsweise durch den Pressverband zwischen dem Schaft und dem Ventilkörper oder auch durch eine auf den Ventilbolzen wirkende Feder erfolgen. Im Betrieb des Kraftstoffinjektors erfolgt eine Vorspannung durch die auf eine Stirnfläche des Schafts wirkenden hydraulischen Kräfte.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist der Schaft einen Positionierbereich und einen Anschlagbereich auf, wobei der Positionierbereich in dem Ventilkörper radial gelagert ist. Dadurch wird die Fixierung des Ventilbolzens zum Ventilkörper auf einfache Art und Weise auf zwei Bereiche aufgeteilt: die radiale Fixierung durch den Positionierbereich und die axiale Fixierung durch den Anschlagbereich. Der Positionierbereich muss dabei nicht in den Ventilkörper eingepresst sein, sondern kann beispielsweise auch einen sehr geringen Spalt zum Ventilkörper aufweisen, ähnlich einer Gleitlagerung.
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In einer weiteren Ausführung ist der Positionierbereich jedoch in den Ventilkörper eingepresst. Dadurch wird die Ankerhülse sehr exakt zum Ventilsitz positioniert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Anschlagbereich einen größeren Durchmesser auf als der Positionierbereich, so dass zwischen dem Anschlagbereich und dem Positionierbereich eine Bolzenschulter ausgebildet ist. Die Bolzenschulter wirkt mit einem an dem Ventilkörper ausgebildeten Anschlag zusammen. Dadurch ist der Ventilbolzen auf einfache Art und Weise in axialer Richtung zu dem Ventilkörper fixiert.
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Vorteilhafterweise ist die Bolzenschulter dabei gegen den Anschlag vorgespannt. Dadurch wird eine ungewollte axiale Bewegung des Ventilbolzens besonders effektiv unterbunden. Die Vorspannkraft kann beispielsweise, wie vorangehend schon beschrieben, mittels Pressverband oder Feder aufgebracht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist an dem Schaft zumindest eine Ausnehmung als Strömungsquerschnitt ausgebildet. Bei geöffnetem Steuerventil kann so der abgesteuerte Kraftstoff auf einfache Art und Weise vom Steuerraum durch die zumindest eine Ausnehmung zum Ventilsitz und weiter in den Niederdruckraum strömen. Dabei kann in einer Weiterbildung die zumindest eine Ausnehmung als Ablaufdrossel ausgebildet sein. Ist die Ausnehmung jedoch nicht als Ablaufdrossel ausgebildet, dann muss der Strömungsquerschnitt der zumindest einen Ausnehmung größer sein als der Strömungsquerschnitt der an anderer Stelle angeordneten Ablaufdrossel.
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Vorteilhafterweise sind an dem Schaft zwei oder drei Ausnehmungen ausgebildet. Dadurch verläuft die Strömung des Kraftstoffs zwischen dem Ventilkörper und dem Schaft durch die Ausnehmungen vergleichsweise homogen; und gleichzeitig kann der Schaft immer noch gut zum Ventilkörper fixiert werden.
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Vorzugsweise sind dabei die Ausnehmungen als Zweiflach bzw. als Dreiflach ausgeführt. Das heißt jede Ausnehmung ist flach bzw. planar auf der Mantelfläche des Schafts geschliffen, und die zwei bzw. drei Ausnehmungen sind möglichst gleichverteilt über den Umfang des Schafts angeordnet.
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In vorteilhaften Ausführungen der Erfindung ist an der dem Steuerventil abgewandten Seite der Ventilkörper mit einer Drosselplatte verspannt, wobei in der Drosselplatte eine Ablaufdrossel ausgebildet ist. Dadurch ist der Ventilkörper quasi zweistückig ausgebildet, als Ventilkörper und Drosselplatte. Die Montage des Schafts innerhalb des Ventilkörpers kann so vergleichsweise einfach durchgeführt werden. Gleichzeitig wird die Ablaufdrossel somit unabhängig vom Ventilbolzen gefertigt, sondern sie ist separat, nämlich in der Drosselplatte ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist durch den Schaft, den Ventilkörper und die Drosselplatte ein Kondensationsraum begrenzt. Die Ablaufdrossel verbindet den Steuerraum mit dem Kondensationsraum. Der Kondensationsraum weist einen gegenüber der Ablaufdrossel deutlich vergrößerten Strömungsquerschnitt auf, so dass es hier zu einer gezielten Verzögerung des abströmenden Kraftstoffs kommt. Dies wiederum führt zu einer Druckzunahme und somit zu einer gezielten Kondensation. Dadurch wird verhindert, dass der durch die Ablaufdrossel entstandene Kraftstoffdampf in den Bereich des Ventilsitzes gelangt, da er schon vorher, nämlich im Kondensationsraum, kondensiert. Eine schädliche Kavitationserosion am Ventilsitz wird dadurch verhindert. Die Kondensation im Kondensationsraum erfolgt vorteilhafterweise nicht direkt an den begrenzenden Wänden, so dass es zu überhaupt keiner Kavitationserosion kommt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist an dem Ventilbolzen eine Führungsfläche ausgebildet, die der Führungsbohrung radial gegenüberliegend angeordnet ist. Der Dichtspalt zwischen Führungsfläche und Führungsbohrung ist sehr relevant bezüglich Dichtheit und Verschleiß des Steuerventils und bezüglich der Positionierung der Ankerhülse zum Ventilsitz. Daher sind sowohl bei der Führungsfläche als auch bei der Führungsbohrung besonders enge Fertigungstoleranzen einzuhalten. Dies ist fertigungstechnisch einfacher machbar, wenn eine spezielle Führungsfläche zur Bearbeitung ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise weist dabei die Führungsfläche einen gegenüber den angrenzenden Bereichen des Ventilbolzens erweiterten Durchmesser auf. Dadurch kann die Führungsfläche sehr einfach bearbeitet, beispielsweise geschliffen werden. Zum anderen kann dadurch der Ventilbolzen so innerhalb des Ventilkörpers angeordnet werden, dass genügend Kraftstoff zwischen dem Ventilbolzen und dem Ventilkörper zum Ventilsitz abströmen kann, insbesondere wenn das Steuerventil kraftausgeglichen ist.
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Weiterhin vorteilhafterweise sind die Durchmesser der Führungsbohrung und des Ventilsitzes gleich groß. Dadurch ist ein druck- bzw. kraftausgeglichenes Steuerventil realisiert. Im geschlossenen Zustand, also bei Anlage der Ankerhülse an den Ventilsitz, sind die auf die Ankerhülse wirkenden hydraulischen Kräfte nahezu ausgeglichen, also in Summe etwa Null. Somit kann die Ansteuerung des Steuerventils durch den Aktor sehr schnell mit bereits geringer Kraft erfolgen. Die Konstruktion eines druckausgeglichenen Steuerventils erfordert in der vorliegenden Erfindung ein Steuerventil mit einem Ventilbolzen.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Aktor ein elektromagnetischer Aktor. Dadurch kann die Ankerhülse auf einfache Art und Weise und sehr schnell angesteuert werden, und der Aktor ist vergleichsweise kostengünstig ausgeführt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors, durch das die Positionierung der Ankerhülse zu dem Ventilsitz besonders exakt erfolgt.
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Der Kraftstoffinjektor weist ein Steuerventil auf, wobei das Steuerventil eine von einem Aktor bewegbare Ankerhülse, einen Ventilbolzen und einen an einem Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz umfasst. Die Ankerhülse wirkt in Längsrichtung mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer hydraulischen Verbindung zusammen. In der Ankerhülse ist eine Führungsbohrung ausgebildet. An dem Ventilbolzen ist eine Führungsfläche ausgebildet. Die Ankerhülse ist von der in der Führungsbohrung angeordneten Führungsfläche radial geführt. An dem Ventilbolzen ist ein Schaft angeordnet, wobei der Schaft in den Ventilkörper eingepresst ist. Erfindungsgemäß umfasst das Herstellungsverfahren folgende Schritte:
- – Einpressen des Schafts in den Ventilkörper und danach
- – Schleifen des Ventilsitzes und Schleifen der Führungsfläche.
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Dadurch werden Führungsbohrung und Ventilsitz erst im vormontierten Zustand geschliffen, so dass die Position dieser beiden Funktionen zueinander, insbesondere die Koaxialität, sehr exakt gefertigt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgen das Schleifen des Ventilsitzes und das Schleifen der Führungsfläche in einer Aufspannung. Dadurch werden sehr schnelle Taktzeiten in der Fertigung erreicht. Das gesamte Steuerventil kann somit sehr kostengünstig hergestellt werden.
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Zeichnungen
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1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors im Bereich eines Steuerventils im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors im Bereich des Steuerventils im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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4a zeigt den Schnitt A-A der 3.
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4b zeigt den Schnitt B-B der 3.
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5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zur 4a.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst ein Gehäuse 40, das in der dargestellten Ausführung im Wesentlichen drei miteinander verspannte Bauteile aufweist: einen Haltekörper 42, einen Ventilkörper 9 und einen an den Brennraum grenzenden Düsenkörper 43. Diese Bauteile sind in Längsrichtung durch eine Düsenspannmutter 44 mediendicht miteinander verspannt.
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Im Düsenkörper 43 ist ein Druckraum 6 ausgebildet, in dem eine Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Druckraum 6 wird über einen im Gehäuse 40 ausgebildeten Hochdruckzulauf 41 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff von einer nicht dargestellten Kraftstoffquelle, zum Beispiel einem Hochdruckspeicher, versorgt.
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An dem Düsenkörper 43 ist ein Düsennadelsitz 7 ausgebildet. Weiterhin ist in dem Düsenkörper 43 zumindest eine Einspritzöffnung 8 ausgebildet, welche in den Brennraum mündet. Die Düsennadel 3 wirkt durch ihre Längsbewegung mit dem Düsennadelsitz 7 zusammen und öffnet und schließt dadurch die wenigstens eine Einspritzöffnung 8. Eine im Druckraum 6 angeordnete Düsenfeder 45 greift an einer Schulter der Düsennadel 3 an und drückt die Düsennadel 3 dadurch gegen den Düsennadelsitz 7. An dem der Schulter gegenüberliegenden Ende wirkt die Düsenfeder 45 mit einer Hülse 46 zusammen und drückt diese gegen den Ventilkörper 9. Die Düsennadel 3 ist dabei längsbeweglich in der Hülse 46 angeordnet.
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Das dem Brennraum entgegengesetzte Ende der Düsennadel 3, die Hülse 46 und der Ventilkörper 9 begrenzen einen Steuerraum 10. Der Steuerraum 10 ist durch eine in der Hülse 46 ausgebildete Zulaufdrossel 15 mit dem Druckraum 6 verbunden. Die Längsbewegung der Düsennadel 3 wird durch den Druck in dem Steuerraum 10 gesteuert, wobei der Druck in dem Steuerraum 10 wiederum von einem im Gehäuse 40 angeordneten Steuerventil 5 gesteuert wird.
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Das Steuerventil 5 umfasst eine Ankerhülse 53, einen Ventilsitz 12, einen Ventilbolzen 51 und eine Schließfeder 4. Der Ventilsitz 12 ist an dem Ventilkörper 9 ausgebildet. Eine an der Ankerhülse 53 ausgebildete Sitzfläche 50 wirkt mit dem Ventilsitz 12 zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung von dem Steuerraum 10 zu einem im Gehäuse 40 ausgebildeten Niederdruckraum 30. Die hydraulische Verbindung umfasst dabei eine im Ventilbolzen 51 ausgebildete Ausnehmung in Form einer Ablaufdrossel 16. Die Ankerhülse 53 weist eine durchgängige Führungsbohrung 53a auf und ist in dieser von einer an dem Ventilbolzen 51 ausgebildeten Führungsfläche 52 geführt. Die Ankerhülse 53 ist den Ventilbolzen 51 bzw. die Führungsfläche 52 radial umgebend angeordnet und wird von einer im Niederdruckraum 30 angeordneten Ventilfeder 4 gegen den Ventilsitz 12 verspannt.
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Vorteilhafterweise haben die Führungsbohrung 53a und der Ventilsitz 12 – im Rahmen der Fertigungstoleranzen – die gleichen Durchmesser, so dass die Ankerhülse 53 im geschlossenen Zustand, also bei Anlage an den Ventilsitz 12, bezüglich der hydraulischen Kräfte ausgeglichen ist; die hydraulisch resultierende Kraft auf die Ankerhülse 53 ist in diesem Zustand näherungsweise Null. Man spricht dabei von einem kraftausgeglichenen oder auch druckausgeglichenen Steuerventil 5.
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Das Steuerventil 5 ist von einem im Gehäuse 40 angeordneten Aktor 2 betätigbar, welcher im Ausführungsbeispiel der 1 als elektromagnetischer Aktor ausgeführt ist. In alternativen Ausführungen kann der Aktor 2 beispielsweise auch als Piezoaktor ausgeführt sein. Der Aktor 2 ist durch eine Verschlussmutter 47 gegen eine Schulter 42a des Haltekörpers 42 verspannt und damit im Gehäuse 40 fixiert. Der Aktor 2 wirkt auf die Ankerhülse 53 in Öffnungsrichtung des Steuerventils 5.
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Erfindungsgemäß ist der Ventilbolzen 51 fest mit dem Ventilkörper 9 verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Ventilbolzen 51 mit einem Schaft 51a in eine im Ventilkörper 9 ausgebildete Aufnahmebohrung 9a eingepresst. Eine Stirnfläche 510 des Schafts 51a, die Aufnahmebohrung 9a, die Hülse 46 und die Düsennadel 3 begrenzen den Steuerraum 10.
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An einem an dem Ventilkörper 9 ausgebildeten Anschlag 9c bzw. Absatz verjüngt sich die Aufnahmebohrung 9a sprungartig, so dass der Schaft 51a des Ventilbolzens 51 durch die auf die Stirnfläche 510 wirkenden hydraulischen Kräfte gegen den Anschlag 9c gedrückt wird. Am Übergang bzw. Absatz vom Schaft 51a mit vergleichsweise großem Durchmesser zum weiteren Ventilbolzen 51 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser ist eine Bolzenschulter 51c ausgebildet. Diese Bolzenschulter 51c wirkt mit dem Anschlag 9c in axialer Richtung zusammen, wenn der Schaft 51a gegen den Anschlag 9c gedrückt wird.
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Die Ablaufdrossel 16 ist im Schaft 51a des Ventilbolzen 51 ausgebildet. Der Steuerraum 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel somit von dem Schaft 51a, der Aufnahmebohrung 9a, der Hülse 46 und der Düsennadel 3 begrenzt. Alternativ zu der Ablaufdrossel 16 können eine oder mehrere Ausnehmungen vorgesehen sein, beispielsweise als Zweiflach oder als Dreiflach. Diese Ausnehmungen können ebenso die Funktion einer Drosselstelle haben, oder aber auch als ungedrosselter Strömungsquerschnitt gestaltet sein.
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Auf der dem Steuerraum 10 gegenüberliegenden Seite des Schafts 51a ist zwischen dem Ventilbolzen 51 und dem Ventilkörper 9 ein Ringspalt 21 ausgebildet. Der Ringspalt 21 hat im Ausführungsbeispiel der 1 einen größeren Strömungsquerschnitt als die Ablaufdrossel 16, so dass er bei geöffnetem Steuerventil 5 nicht drosselnd wirkt.
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Die Führung zwischen der Führungsbohrung 53a der Ankerhülse 53 und der Führungsfläche 52 des Ventilbolzens 51, im Folgenden als Dichtspalt 54 bezeichnet, ist dabei so eng und lang gewählt, dass der Ringspalt 21 dadurch gegenüber dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 1 sehr gut abgedichtet ist und lediglich eine sehr geringe Leckagemenge durch den Dichtspalt 54 fließt.
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Der Ablaufdrossel 16 ist stromabwärts ein Diffusor 16a nachgeschaltet. Fertigungstechnisch einfach fertigbar sind Ablaufdrossel 16 und Diffusor 16a als ein Kanal mit unterschiedlichen Durchmessern im Schaft 51a ausgebildet, wobei der Durchmesser des Diffusors 16a größer als der Durchmesser der Ablaufdrossel 16 ist.
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Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen des Kraftstoffinjektors 1, insbesondere im Bereich des Steuerventils 5 beschrieben, wobei auf gleiche Funktionen bezüglich der 1 nicht näher eingegangen wird.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 1 im Bereich des Steuerventils 5 im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind der Ventilkörper 9 und die Hülse 46 einstückig ausgeführt und als Ventilkörper 9 bezeichnet. Der Steuerraum 10 ist demzufolge von dem Ventilkörper 9, von dem Schaft 51a des Ventilbolzens 51 und von der Düsennadel 3 begrenzt. Im Ventilkörper 9 ist die Düsennadel 3 an ihrem oberen Ende in einer im Ventilkörper 9 ausgebildeten Düsennadelführung 13 radial geführt. In vorteilhaften Ausführungen haben dabei die Düsennadelführung 13 und die Aufnahmebohrung 9a den gleichen Durchmesser, sind also in einem Fertigungsschritt gefertigt. An dem Anschlag 9c des Ventilkörpers 9 verjüngt sich die Aufnahmebohrung 9a sprungartig, so dass die Bolzenschulter 51c des Ventilbolzens 51 aus der Richtung des Steuerraums 10 gegen den Anschlag 9c gedrückt wird. Vorteilhafterweise ist dabei der Schaft 51a in die Aufnahmebohrung 9a eingepresst.
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Vorteilhafterweise weist der Ventilbolzen 51 im Bereich des Dichtspalts 54 einen durchmessererweiterten Bereich auf, an dem die Führungsfläche 52 ausgebildet ist. Somit ist speziell nur diese vergleichsweise kleine Führungsfläche 52 an dem Ventilbolzen 51 sehr maßgenau zu bearbeiten, um einerseits einen möglichst kleinen Dichtspalt 54 und andererseits eine genaue Positionierung der Ankerhülse 53 zu erhalten, wobei die Führungsfläche 52 und die Führungsbohrung 53a dennoch möglichst verschleißarm gegeneinander verschiebbar sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist der Ventilkörper 9 durch eine Ventilspannschraube 60 gegen eine an dem Düsenkörper 43 ausgebildete Schulter verspannt. Es können jedoch auch alternative Spannkonzepte verwendet werden, beispielsweise mit einer Düsenspannmutter – auch unter Zwischenlage von weiteren Bauteilen – wie in der 1. Weiterhin kann der Ventilkörper 9 in anderen Ausführungen auch gegen den Haltekörper 42 verspannt werden.
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In der Ausführungsform der 2 ist stromabwärts der Ablaufdrossel 16 und stromaufwärts des Ringspalts 21 ein Kondensationsraum 61 angeordnet. Der Kondensationsraum 61 ist zwischen dem Ventilkörper 9, dem Ventilbolzen 51 und dem Schaft 51a ausgebildet. Der Strömungsquerschnitt im Kondensationsraum 61 ist vergleichsweise groß, so dass es bei geöffnetem Steuerventil 5 zu einer Druckzunahme und damit zu einer gezielten Kondensation im Kondensationsraum 61 kommt. Damit wird eine schädliche Kavitationserosion weiter stromabwärts im Bereich des Ventilsitzes 12 vermieden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 1 im Bereich des Steuerventils 5 im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der Ventilkörper 9 zweiteilig ausgeführt und als Ventilkörper 9 und Drosselkörper 11 bezeichnet. Der Ventilkörper 9 ist dabei der Ankerhülse 53 zugewandt und der Drosselkörper 11 der Düsennadel 3. Die Ablaufdrossel 16 ist in dieser Ausführung im Drosselkörper 11 ausgebildet.
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In der 3 ist der Ringspalt 21 so ausgeführt, dass er einerseits eine Positionierfunktion hat und andererseits aber einen genügend großen Strömungsquerschnitt. Dazu ist der Schaft 51a in diesem Ausführungsbeispiel in zwei Bereiche untergliedert: einen an den Führungsbereich 52 angrenzenden Positionierbereich 511 und einen daran angrenzenden und in den Kondensationsraum 61 ragenden Anschlagbereich 512. Am Übergang vom Positionierbereich 511 zum Anschlagbereich 512 ist die Bolzenschulter 51c angeordnet. Der Kondensationsraum 61 wird in dieser Ausführung durch den Schaft 51a – genauer den Anschlagbereich 512 –, den Ventilkörper 9 und die Drosselplatte 11 begrenzt.
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Der Positionierbereich 511 ist im Ringspalt 21 angeordnet. Dabei wird in dem Ringspalt 21 der Positionierbereich 511 vom Ventilkörper 9 derart radial geführt, dass wiederum die Ankerhülse 53 von dem Führungsbereich 52 annähernd koaxial zum Ventilsitz 12 geführt wird. Dazu weist der Ventilbolzen 51 am Schaft 51a, sowohl am Positionierbereich 511 als auch am Anschlagbereich 512, zumindest eine Ausnehmung 51b auf, so dass Kraftstoff von der Ablaufdrossel 16 bzw. vom Kondensationsraum 61 zum Ventilsitz 12 strömen kann.
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Die zumindest eine Ausnehmung 51b ist in den Schnitten A-A und B-B der 3 näher dargestellt:
Die 4a zeigt den Schnitt A-A, also den Schnitt im Positionierbereich 511 des Schafts 51a des Ventilbolzens 51. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Ausnehmungen 51b am Ventilbolzen 51 bzw. am Schaft 51a gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet, wobei die Ausnehmungen 51b im Schnitt die Form eines Kreissegments haben. Die Querschnitte der Ausnehmungen 51b haben dabei einen wesentlichen Anteil am gesamten Strömungsquerschnitt. In alternativen Ausführungen sind beliebige Anzahlen von Ausnehmungen 51b und beliebige Formen der Ausnehmungen möglich. Beispielsweise können die Ausnehmungen 51b als Zweiflach oder Dreiflach ausgeführt sein.
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5 zeigt beispielhaft die Ausführung als Zweiflach: Zwei Ausnehmungen 51b sind jeweils planar auf der Mantelfläche des Ventilbozens 51 im Bereich des Ringspalts 21 bzw. auf dem Positionierbereich 511 geschliffen und gegenüberliegend zueinander angeordnet.
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Die 4b zeigt den Schnitt B-B der 3, also den Schnitt im Anschlagbereich 512 des Schafts 51a des Ventilbolzens 51. Vorteilhafterweise ist der Schnitt B-B dabei entsprechend dem Schnitt A-A der 4a ausgeführt, das heißt mit der gleichen Anzahl an Ausnehmungen 51b, wobei die Ausnehmungen 51b die gleiche Form aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 4b sind dies drei Ausnehmungen 51b mit jeweils kreissegmentförmigen Querschnitten. Alternativ können die Ausnehmungen 51b auch am Anschlagbereich 512 als Zweiflach oder Dreiflach oder auch beliebig anders ausgeführt sein.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors 1 ist wie folgt:
Der Druckraum 6 steht über den Hochdruckzulauf 41 hydraulisch in ständiger Verbindung mit einem Hochdruckspeicher, beispielsweise einem Common Rail oder einer Hochdruckpumpe. Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine wird die Düsennadel 3 vom Düsennadelsitz 7 abgehoben. Die Bewegung der Düsennadel 3 wird durch das Steuerventil 5 gesteuert.
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Das Steuerventil 5 wird durch den Aktor 2 angesteuert und steuert den Druck im Steuerraum 10. Liegt im Steuerraum 10 hoher Druck an, so presst dieser die Düsennadel 3 entgegen der Kraft der Düsenfeder 45 und entgegen einer im Druckraum 6 auf die Düsennadel 3 wirkenden resultierenden hydraulischen Kraft gegen den Düsennadelsitz 7.
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Soll eine Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgen, wird das Steuerventil 5 vom Aktor 2 so angesteuert, dass die Ankerhülse 53 vom Ventilsitz 12 abhebt. Dadurch wird der Druck im Steuerraum 10 durch die Ablaufdrossel 16 in den Niederdruckraum 30 entlastet. Mit dem verringerten Druck im Steuerraum 10 wird die Düsennadel 3 entgegen der Düsenfeder 45 durch die resultierende hydraulische Kraft im Düsenraum 6 vom Düsennadelsitz 7 abgehoben und es erfolgt dadurch die Einspritzung des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs vom Druckraum 6 durch die Einspritzöffnungen 8 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Zur Beendigung des Einspritzvorgangs wird die Ansteuerung des Aktors 2 beendet, so dass die Ankerhülse 53 mit ihrer Sitzfläche 50 von der Ventilfeder 4 wieder gegen den Ventilsitz 12 gedrückt und damit die Ablaufdrossel 16 verschlossen wird. Dadurch wird der Druck im Steuerraum 10 wieder durch den Zufluss über die Zulaufdrossel 15 so weit erhöht, dass dieser zusammen mit der Kraft der Düsenfeder 45 ein Schließen der Düsennadel 3 bewirkt.
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Erfindungsgemäß wird die Ankerhülse 53 durch den Ventilbolzen 51 sehr exakt zum Ventilsitz 12 ausgerichtet, insbesondere koaxial positioniert. Dadurch wird der Verschleiß an dem Ventilsitz 12 und an der Sitzfläche 50 der Ankerhülse 53 minimiert. Gleichzeitig wird eine Leckage zwischen Ventilsitz 12 und Sitzfläche 50 bei geschlossenem Steuerventil 5 minimiert bzw. verhindert. Die genaue Ausrichtung bzw. koaxiale Positionierung der Ankerhülse 53 zu dem Ventilsitz 12 geht einher mit einer genauen Ausrichtung bzw. koaxialen Positionierung der Ankerhülse 53 zu dem Ventilbolzen 51. Dadurch wird auch der Verschleiß zwischen der Ankerhülse 53 und dem Ventilbolzen 51 minimiert. Infolgedessen steigt die Lebensdauer des gesamten Steuerventils 5 bzw. des gesamten Kraftstoffinjektors 1.
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Eine besonders exakte, insbesondere koaxiale Positionierung der Ankerhülse 53 zu dem Ventilsitz 12 erfolgt durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem der Ventilbolzen 51 zunächst in den Ventilkörper 9 eingepresst wird. Anschließend werden der am Ventilkörper 9 ausgebildete Ventilsitz 12 und die am Ventilbolzen 51 ausgebildete Führungsfläche 52 geschliffen, vorzugsweise in einer einzigen Aufspannung. So wird eine sehr gute Koaxialität von Ventilsitz 12 zur Führungsfläche 52 im Fertigungsprozess erreicht. Die Ankerhülse 53 wird damit bestmöglich auf dem Ventilbolzen 51 geführt und zum Ventilsitz 12 zentriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2524132 A1 [0002]
- EP 2839143 [0005]
