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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Kraftstoffhochdruckvorrichtung
nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Eine solche
Kraftstoffhochdruckvorrichtung ist in Form eines
Kraftstoffeinspritzventils aus der DE 198 27 267 A1 bekannt und
umfasst ein Gehäuse, das einen ersten als Ventilhaltekörper
ausgebildeten Hochdruckkörper und einen zweiten als
Ventilkörper ausgebildeten Hochdruckkörper beinhaltet. Die beiden
Hochdruckkörper liegen in einer Anlagefläche aneinander an.
Durch die Anlagefläche tritt ein Hochdruckraum in Form eines
Hochdruckkanals hindurch, der Kraftstoff unter hohem Druck
führt. Das Gehäuse wird im Bereich der Anlagefläche von
einem im wesentlichen zylinderförmigen Wandungsteil umgeben,
das als Spannmutter ausgebildet ist und eine Längsachse
aufweist. Zwischen dem Gehäuse und der Spannmutter ist ein
Leckölraum ausgebildet, der das Gehäuse auf seinem gesamten
Umfang umgibt.
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Bei der bekannten Kraftstoffhochdruckvorrichtung tritt der
Nachteil auf, dass es zu Undichtigkeiten im Bereich der
Anlagefläche kommen kann. Der Hochdruckraum wird an seinem
Durchtritt durch die Anlagefläche nur durch die
Flächenpressung der Körper abgedichtet, die in der Anlagefläche
aneinander anliegen und den Durchtritt des Hochdruckraums
umgeben. Da im Hochdruckraum zum Teil sehr hohe Drücke von 120 MPa
und darüber herrschen können, ist diese Abdichtung nicht
vollständig, so dass es zu einem Austritt von Kraftstoff in
der Anlagefläche kommen kann, der in den Leckölraum zwischen
der Spannmutter und dem Gehäuse gelangt, von wo er bei
längerem Betrieb der Kraftstoffhochdruckvorrichtung schließlich
austritt. Dies kann beim Einsatz in einer Brennkraftmaschine
zu erheblichen Schäden führen, insbesondere wenn dieser
Kraftstoff in den Motorraum gelangt und dort durch heiße
Bauteile in Brand gesetzt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckvorrichtung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist
demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei Undichtigkeiten an
der Anlagefläche der beiden Hochdruckkörper kein Kraftstoff
nach außen gelangen kann. Zu diesem Zweck wird der
Leckölraum, der zwischen dem Gehäuse und dem Wandungsteil gebildet
ist, abgedichtet. Der Kraftstoff, der zwischen den
Hochdruckkörpern hindurch an der Anlagefläche austritt,
verbleibt so im Leckölraum, und die
Kraftstoffhochdruckvorrichtung ist nach außen abgedichtet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung ist zwischen dem Wandungsteil und dem ersten
Hochdruckkörper eine erste dichtende Verbindung ausgebildet und
zwischen dem Wandungsteil und dem zweiten Hochdruckkörper
eine zweite dichtende Verbindung. Dadurch wird der
Leckölraum in einfacher Weise abgedichtet und beide dichtenden
Verbindungen können unabhängig voneinander gestaltet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des
Gegenstandes der Erfindung ist der Leckölraum mit einem im Gehäuse
ausgebildeten Niederdruckraum verbunden, wobei im
Niederdruckraum stets ein niedriger Kraftstoffdruck aufrecht
erhalten wird. Über diese Verbindung kann der Kraftstoff aus
dem Leckölraum abfließen und es kommt nicht mit der Zeit zu
einem Druckstau im Leckölraum, was zu Undichtigkeiten der
dichtenden Verbindungen führen könnte.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das
Wandungsteil als Spannmutter ausgebildet, die die
Hochdruckkörper an der Anlagefläche aneinander presst. Auf diese Weise
wird die Funktion der Abdichtung nach außen und die Funktion
eines Spannelements zum Aneinanderpressen der
Hochdruckkörper in nur einem Bauteil vereint.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der
dichtenden Verbindungen der Spannmutter mit dem Gehäuse
durch die Anlage einer Dichtfläche an einer am Gehäuse
ausgebildeten Anlagefläche gebildet. In dieser Ausgestaltung
kann die durch die Spannmutter ausgeübte Anpresskraft für
eine der dichtenden Verbindungen genutzt werden, ohne dass
weitere Dicht- oder Spannelemente nötig wären.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens
eine dichtende Verbindung des Wandungsteils mit dem Gehäuse
durch einen zwischen dem Gehäuse und dem Wandungsteil
angeordneten Dichtring ausgebildet. Dadurch kann eine gute
Dichtheit erreicht werden, und der Dichtring kann an
verschiedene Gegebenheiten angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der
Dichtring aus einem elastischen Material gefertigt, vorzugsweise
einem Kunststoff oder Elastomer. Ein solcher Dichtring kann
sich durch Verformen dem Raum zwischen dem Wandungsteil und
dem Gehäuse anpassen und dadurch sicher abdichten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der
Dichtring aus Polytetrafluorethylen (PTFE) gefertigt, was neben
der guten Dichtheit den Vorteil bietet, dass der Dichtring
chemisch äußerst beständig ist und durch den Kraftstoff
nicht angegriffen wird. Außerdem ist PTFE gut hitzebeständig
und eignet sich somit besonders für den Einsatz in
Kraftstoffeinspritzventilen, die hohen Temperaturen ausgesetzt
sind.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße
Kraftstoffhochdruckvorrichtung, wenn sie als Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschine ausgebildet ist, da die hier
auftretenden Dichtigkeitsprobleme durch Maßnahmen an der
Anlagefläche nicht abschließend gelöst werden können. Es ergeben
sich hier noch weitere Vorteile: Die Anforderungen an die
Güte der Dichtflächen der beiden Hochdruckkörper ist
deutlich reduziert, da eine bestimmte Leckagemenge nach außen in
den Leckölraum akzeptabel ist. Darüber hinaus ergibt sich
der Vorteil, dass die Hochdruckkörper mit geringerer Kraft
aneinander gepresst werden müssen, was zu einer Reduzierung
der mechanischen Verspannungen im Kraftstoffeinspritzventil
führt und damit zu geringeren Verformungen, die ansonsten
die Funktion des Kraftstoffeinspritzventils beeinträchtigen
können.
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Weitere Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen der
Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckvorrichtung dargestellt. Es zeigt
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Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Kraftstoffhochdruckvorrichtung in Form eines Kraftstoffeinspritzventils im
Längsschnitt,
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Fig. 2 eine Vergrößerung des mit II bezeichneten
Ausschnitts von Fig. 1,
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Fig. 3 eine Vergrößerung von Fig. 1 im mit III
bezeichneten Ausschnitt und
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Fig. 4 eine Vergrößerung von Fig. 1 im Bereich der
Anlagefläche eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckvorrichtung im Längsschnitt in
seinen wesentlichen Teilen dargestellt. Die hier als
Kraftstoffeinspritzventil ausgebildete
Kraftstoffhochdruckvorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, das einen ersten
Hochdruckkörper, der als Ventilhaltekörper 3 ausgebildet ist,
und einen zweiten Hochdruckkörper, der als Ventilkörper 5
ausgebildet ist, umfasst. Der Ventilhaltekörper 3 liegt an
einer Anlagefläche 30 am Ventilkörper 5 an und wird mittels
einer als Wandungsteil ausgebildeten Spannmutter 7 gegen
diesen gepresst. Im Ventilkörper 5 ist eine Bohrung 8
ausgebildet, die eine Längsachse 15 aufweist, die auch mit der
Längsachse 15 der Spannmutter 7 zusammenfällt. In der
Bohrung 8 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 10
längsverschiebbar angeordnet, die in einem dem Brennraum abgewandten
Abschnitt in der Bohrung 8 dichtend geführt wird und die sich
dem Brennraum zu unter Bildung einer Druckschulter 21
verjüngt. Am brennraumseitigen Ende geht die Ventilnadel 10 in
eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 14 über, die
mit einem am brennraumseitigen Ende der Bohrung 8
ausgebildeten Ventilsitz 16 zusammenwirkt, der ebenfalls im
wesentlichen konisch geformt ist und der in etwa denselben
Öffnungswinkel wie die Ventildichtfläche 14 aufweist. Im
Ventilsitz 16 sind mehrere Einspritzöffnungen 12 ausgebildet,
die den Ventilsitz 16 mit dem Brennraum der
Brennkraftmaschine verbinden. Auf Höhe der Druckschulter 21 ist durch
eine radiale Erweiterung der Bohrung 3 ein Druckraum 18
ausgebildet, der über einen im Ventilkörper 5 und dem
Ventilhaltekörper 3 ausgebildeten Zulaufkanal 23 mit Kraftstoff
unter hohem Druck befüllbar ist. Der Zulaufkanal 23 bildet
einen Hochdruckraum und tritt durch die Anlagefläche 30 der
beiden Hochdruckkörper 3; 5 hindurch. Der Druckraum 18 setzt
sich dem Ventilsitz 16 zu als ein die Ventilnadel 10
umgebender Ringkanal 19 fort, so dass Kraftstoff aus dem
Druckraum 18 bis zum Ventilsitz 16 strömen kann. Bei Anlage der
Ventildichtfläche 14 am Ventilsitz 16 werden die
Einspritzöffnungen 12 verschlossen, und es gelangt kein
Kraftstoff aus dem Ringkanal 19 zu den Einspritzöffnungen 12.
Hebt die Ventildichtfläche 14 durch eine Längsbewegung der
Ventilnadel 10 vom Ventilsitz 16 ab, so fließt Kraftstoff
aus dem Ringkanal 19 durch den zwischen der
Ventildichtfläche 14 und dem Ventilsitz 16 gebildeten Spalt zu den
Einspritzöffnungen 12, und Kraftstoff wird in den Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Der Ventilkörper 5 ist in dem Bereich, in dem die
Ventilnadel 10 geführt ist, mit einer zylindrisch Außenfläche
ausgebildet, die sich dem Brennraum zu etwa auf Höhe des
Druckraums 18 unter Bildung einer Anlagefläche 44 verjüngt, wobei
die Anlagefläche 44 in einer Radialebene zur Bohrung 8
liegt. Die Spannmutter 7 ist im wesentlichen als
Hohlzylinder ausgebildet und umgibt den Ventilkörper 5 und einen Teil
des Ventilhaltekörpers 3, insbesondere im Bereich der
Anlagefläche 30. An ihrem brennraumzugewandten Ende weist die
Spannmutter 7 einen Kragen auf, an dem eine Dichtfläche 42
ausgebildet ist, die an der Anlagefläche 44 zur Anlage kommt
und eine erste dichtende Verbindung zwischen der Spannmutter
7 und dem Gehäuse 1 bildet. Im brennraumabgewandten
Endbereich weist die Spannmutter 7 ein Innengewinde 38 auf, das
in ein an der Außenmantelfläche des Ventilhaltekörpers 3
ausgebildetes Außengewinde 36 eingreift. Durch Drehung der
Spannmutter 7 wird diese mit dem Ventilhaltekörper 3
verschraubt und verschiebt sich dadurch in Längsrichtung, so
dass die Dichtfläche 42 gegen die Anlagefläche 44 gepresst
wird und der Ventilkörper 5 in der Anlagefläche 30 gegen den
Ventilhaltekörper 3.
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Zwischen der Spannmutter 7 und dem Ventilhaltekörper 3
beziehungsweise dem Ventilkörper 5 ist ein Leckölraum 30
ausgebildet, der am brennraumseitigen Endbereich durch die
Anlage der Dichtfläche 42 an der Anlagefläche 44 abgedichtet
wird. Im brennraumabgewandten Endbereich der Spannmutter 7
wird die Abdichtung durch einen Dichtring 50 bewirkt, der
zwischen der Spannmutter 7 und dem Ventilhaltekörper 3
eingeklemmt ist und so eine zweite dichtende Verbindung bildet.
Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Vergrößerung des mit II
bezeichneten Bereichs der Fig. 1, wo der Dichtring 50 im
Querschnitt gezeigt ist. Der Dichtring 50 ist aus einem
elastischen Material gefertigt, beispielsweise aus Gummi oder
einem Kunststoff, so dass er sich ensprechend verformen kann
und eine dichtende Verbindung der Spannmutter 7 mit dem
Ventilhaltekörper 3 schafft. Besonders Polytetrafluorethylen
ist hierbei von Vorteil, da dieser Kunststoff weitgehend
chemisch inert ist. Der Leckölraum 30 ist somit abgedichtet,
und es kann kein Kraftstoff nach außen gelangen.
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Brennraumabgewandt geht die Bohrung 8 in eine im
Ventilhaltekörper 3 ausgebildete Kolbenbohrung 26 über, die am
Übergang einen etwas größeren Durchmesser aufweist als die
Bohrung 8. In der Kolbenbohrung 26 ist ein Druckstück 25
angeordnet, das an der brennraumabgewandten Stirnfläche der
Ventilnadel 10 anliegt. An das Druckstück 25 schließt sich ein
Ventilkolben 27 an, der ebenfalls in der Kolbenbohrung 26
geführt ist und koaxial zur Ventilnadel 10 angeordnet ist.
Der Ventilkolben 27 kann eine Schließkraft über das
Druckstück 25 auf die Ventilnadel 10 ausüben, so dass diese mit
ihrer Ventildichtfläche 14 gegen den Ventilsitz 16 gepresst
wird. In der Kolbenbohrung 26 ist darüber hinaus eine
Schließfeder 28 angeordnet, die sich der Ventilnadel 10
abgewandt an einem Ringabsatz 29 abstützt und mit ihrem
anderen Ende am Druckstück 25. Da die Schließfeder 28
druckvorgespannt ist, übt sie eine Schließkraft auf die Ventilnadel
10 aus, die diese - insbesondere bei nicht laufender
Brennkraftmaschine - in ihrer Schließstellung hält. Die
Kolbenbohrung 26 ist mit einem in der Zeichnung nicht
dargestellten Leckölsystem verbunden, so dass die Kolbenbohrung 26
einen Niederdruckraum bildet, in dem stets ein niedriger
Kraftstoffdruck herrscht. Über den Ringspalt zwischen der
Ventilnadel 10 und der Wand der Bohrung 8 kann nur sehr
wenig Kraftstoff aus dem Druckraum 18 in die Kolbenbohrung 26
gelangen, der dann sofort in das Leckölsystem abgeleitet
wird.
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Die Bewegung der Ventilnadel 10 in der Bohrung 8 und damit
die Steuerung von Zeitpunkt und Dauer der Einspritzung
erfolgt in der Weise, dass die Schließkraft auf die
Ventilnadel 10 gesteuert wird. Durch eine in der Zeichnung nicht
dargestellte Vorrichtung wird auf das brennraumabgewandte
Ende des Ventilkolbens 27 eine Kraft ausgeübt, die steuerbar
ist. Über den Zulaufkanal 23 wird durch eine in der
Zeichnung ebenfalls nicht dargestellte Hochdruckquelle Kraftstoff
unter hohem Druck in den Druckraum 18 geleitet, wobei
während des gesamten Betriebs ein vorgegebener hoher Druck im
Druckraum 18 aufrecht erhalten wird. Durch den
Kraftstoffdruck im Druckraum 18 und damit auch im Ringkanal 19 ergibt
sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 21 und
auf Teile der Ventildichtfläche 14, die der Schließkraft von
Ventilkolben 27 und Schließfeder 28 entgegenwirken.
Reduziert man die Schließkraft auf die Ventilnadel 10, so
überwiegt die hydraulische Öffnungskraft, und die Ventilnadel 10
hebt mit der Ventildichtfläche 14 vom Ventilsitz 16 ab, so
dass Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen 12 fließen kann.
Wird die Schließkraft wieder soweit erhöht, dass sie größer
als die Öffnungskraft ist, verschiebt sich die Ventilnadel
10 erneut in Richtung auf den Ventilsitz 16 und die
Einspritzöffnungen 12 werden verschlossen.
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Durch den ständig im Zulaufkanal 23 herrschenden hohen
Kraftstoffdruck werden an die Dichtheit an der Anlagefläche
der beiden Hochdruckkörper 3; 5 sehr hohe Anforderungen
gestellt, damit aus dem Zulaufkanal 23 kein Kraftstoff
zwischen dem Ventilkörper 5 und dem Ventilhaltekörper 3
austritt. Der Teil des Kraftstoffs, der nach innen in die
Kolbenbohrung 23 gelangt, wird von dort in das Leckölsystem
abgeleitet und stört den Betrieb des
Kraftstoffeinspritzventils nicht. Nach außen in den Leckölraum 32 fließender
Kraftstoff wird dort gehalten, so dass das
Kraftstoffeinspritzventil nach außen dicht ist. Fließt jedoch mehr
Kraftstoff in den Leckölraum 32, so kann sich dort ein
Druckpolster aufbauen, was früher oder später zu einer Undichtigkeit
entweder am Dichtring 50 oder an der Dichtfläche 42 führen
wird. Um dies zu verhindern ist an der dem Ventilkörper 5
zugewandten Stirnseite des Ventilhaltekörpers 7 ein
Verbindungskanal 34 in Form einer Nut ausgebildet, der den
Leckölraum 32 mit der Kolbenbohrung 23 verbindet. Der Kraftstoff
im Leckölraum 32 kann somit abfließen und der Leckölraum 32
bleibt drucklos.
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Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung der Fig. 1 im mit III
bezeichneten Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Der Dichtring 50 ist hier nicht am Ende der Spannmutter 7
angeordnet, sondern befindet sich in einer Ringnut 52, die
den Ventilhaltekörper 3 auf seinem gesamten Umfang umgibt.
Die Ringnut 52 ist dabei im Außengewinde 36 angeordnet, so
dass sich in Richtung der Längsachse 15 gesehen auf beiden
Seiten der Ringnut 52 ein Teil des Außengewindes 36befindet. Der Dichtring 50 wird vor dem Einschrauben der
Spannmutter 7 in der Ringnut 52 angeordnet, so dass sich die
Spannmutter 7 mit dem Innengewinde 38 bei der Montage über
den Dichtring 50 verschiebt. Da der Dichtring 50 aus einem
elastischen und gut verformbaren Material besteht, verformt
die Spannmutter den Dichtring 50 und schneidet sich mit dem
Innengewinde 36 in den Dichtring 50 ein. Dadurch wird eine
sehr dichte Verbindung zwischen Spannmutter 7 und Dichtring
50 erreicht.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einem Ausschnitt
im Bereich der Anlagefläche 30. Der Verbindungskanal 34 ist
hier nicht als Nut in einer Stirnseite des
Ventilhaltekörpers 3 ausgebildet, sondern als Bohrung im Ventilhaltekörper
3, die mit der Längsachse 15 einen Winkel von beispielsweise
45° einschließt. Der Verbindungskanal 34 kann hierbei von
irgendeinem Punkt des Leckölraums ausgehen, so dass die
restlichen Funktionselemente nicht beeinträchtigt werden.
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In der Zeichnung sind nur zwei Hochdruckkörper vorhanden,
nämlich der Ventilhaltekörper 3 und der Ventilkörper 5. Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass zwischen diesen beiden
Körpern weitere Hochdruckkörper angeordnet sind,
beispielsweise in Form von Zwischenscheiben. So können mehrere
Anlageflächen ausgebildet sein, die alle von der Spannmutter 7
umgeben sind, so dass der aus den Anlageflächen austretende
Kraftstoff abgeführt wird, ohne aus dem
Kraftstoffeinspritzventil nach außen zu gelangen.
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Neben der Anordnung eines erfindungsgemäßen Leckölraums an
einem Kraftstoffeinspritzventil kann es auch vorgesehen
sein, ein Wandungsteil an jeder anderen
Kraftstoffhochdruckvorrichtung zu verwenden, bei der ein Hochdruckraum mit
Kraftstoff unter hohem Druck durch die Anlagefläche zweier
Hochdruckkörper hindurchtritt. Der Leckölraum kann auch in
diesem Fall mit einem entsprechenden Leckölsystem verbunden
werden.