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Die
Verbrennungsvorgänge
in Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, sind abhängig von
der Gemischaufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches. Die Verbesserung
der Gemischaufbereitung ist erforderlich, um die Anforderungen an hohe
Leistung, geringen Kraftstoffverbrauch, geringe Abgasemissionen
und einen ruhigen Lauf der Brennkraftmaschine erfüllen zu
können.
Für die
Gemischaufbereitung steht nur ein sehr kurzer Zeitraum von wenigen
Millisekunden zur Verfügung,
insbesondere bei hohen Drehzahlen, in dem der Kraftstoff zugemessen
und mit der Luft vermischt werden muss, bevor die Zündung erfolgt.
Um unter diesen Bedingungen eine gute Gemischaufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
sicherstellen zu können, wird
der Kraftstoff, zum Beispiel Dieselkraftstoff, bei der Direkteinspritzung
in die Verbrennungsräume
der Brennkraftmaschine unter sehr hohem Druck, zum Beispiel mehr
als 1500 bar, eingespritzt.
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Einspritzventile
werden meist aus mehreren Körpern
zusammengesetzt, die meist in axialer Richtung dichtend aneinandergrenzen.
In die Körper
sind Bohrungen und/oder Ausnehmungen eingebracht, die sich, abhängig von
ihrer Aufgabe, durch mehr als einen Körper erstrecken können. So
sind Bohrungen zur Aufnahme einer Düsennadel und Bohrungen zum Zuführen von
Kraftstoff vorgesehen. Damit der unter hohem Druck stehende Kraftstoff
nicht aus den Bohrungen und/oder Ausnehmungen zwischen den Körpern des
Einspritzventils austreten kann, müssen zum einen die Kontaktflächen der
Körper
sehr präzise
gefertigt werden und zum anderen die Körper mit einem hohem Anpressdruck
aufeinander gepresst werden. Die Bearbeitung der Kontaktflächen der
Körper
ist aufwändig
und teuer.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das
einfach und billig herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil, das umfasst
einen ersten Körper
mit einer ersten Endfläche
und mindestens einer in die erste Endfläche des ersten Körpers mündenden
ersten Ausnehmung und einen zweiten Körper mit einer zweiten Endfläche, die
der ersten Endfläche
des ersten Körpers
zugewandt ist, und mindestens einer in die zweite Endfläche des
zweiten Körpers
mündenden
zweiten Ausnehmung, die mit der ersten Ausnehmung des ersten Körpers kommuniziert.
Eine Dichtscheibe hat eine erste Oberfläche, die dichtend zu der ersten
Endfläche
des ersten Körpers
angeordnet ist, und eine zweite Oberfläche, die dichtend zu der zweiten
Endfläche
des zweiten Körpers
angeordnet ist, bei der der Abstand der zweiten Oberfläche von
der ersten Oberfläche
kleiner ist als ein Millimeter. Die Dichtscheibe hat mindestens
eine Ausnehmung, durch die hindurch die erste Ausnehmung in dem
ersten Körper
und die zweite Ausnehmung in dem zweiten Körper kommunizieren können. Die Wandung
der mindestens einen Ausnehmung der Dichtscheibe umschließt dichtend
die erste Ausnehmung in dem ersten Körper und die zweite Ausnehmung
in dem zweiten Körper.
Eine Spannvorrichtung presst den ersten Körper, die Dichtscheibe und
den zweiten Körper
aufeinander.
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Durch
den Einsatz der Dichtscheibe kann auf eine aufwändige Bearbeitung der ersten
Endfläche des
ersten Körpers
und/oder der zweiten Endfläche des
zweiten Körpers
verzichtet werden. Trotzdem besteht die Möglichkeit, auf einfache Weise
eine sehr gute Dichtwirkung zu erzielen. Die Dichtscheibe ist einfach
und billig herstellbar und kann bei Bedarf ausgetauscht werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils ist die Dichtscheibe
so ausgebildet, dass die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche klein sind
gegenüber
der ersten Endfläche
des ersten Körpers
und der zweiten Endfläche
des zweiten Körpers. Die
erste Oberfläche
und die zweite Oberfläche
der Dichtscheibe sind im Wesentlichen nur dort ausgebildet, wo die
Dichtwirkung erzielt werden soll, also im Wesentlichen jeweils um
die Ausnehmungen und/oder Bohrungen herum, die beispielsweise Kraftstoff
unter hohem Druck führen.
Gegebenenfalls ist die Dichtscheibe auch im äußeren Randbereich der Körper ausgebildet.
So kann verhindert werden, dass zum Beispiel Schmutz oder Feuchtigkeit
eindringen, durch die die Korrosion gefördert und die Haltbarkeit des
Einspritzventils verringert werden kann. Ferner kann so die Stabilität verbessert
werden.
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Die
Dichtscheibe im Wesentlichen nur dort auszubilden, wo die Dichtwirkung
benötigt
wird, hat den Vorteil, dass die Kontaktflächen zwischen der ersten Endfläche des
ersten Körpers
und der ersten Oberfläche
der Dichtscheibe und zwischen der zweiten Oberfläche der Dichtscheibe und der
zweiten Endfläche
des zweiten Körpers
sehr klein ausgebildet werden kann, so dass ein größerer Anpressdruck,
und damit eine bessere Hochdruckdichtheit, erreicht werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils
ist die Dichtscheibe ein Blech. Dies hat den Vorteil, dass die Dichtscheibe
so einfach und billig herstellbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils
ist die Dichtscheibe eine Folie. Eine Folie kann einfach und billig
hergestellt werden und hat zudem eine sehr geringe Bauhöhe.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils
ist die Dichtscheibe mindestens zweischichtig ausgebildet. Dies
hat den Vorteil, dass die Möglichkeit
besteht, Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften zu kombinieren
und den Anforderungen entsprechend aufeinander abstimmen zu können. Dabei
können
verschiedene Materialien verwendet werden, beispielsweise mit unterschiedlicher Härte.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Dichtscheibe eine
Trägerschicht
und mindestens eine Kompensationsschicht umfasst und die mindestens
eine Kompensationsschicht die erste und/oder die zweite Oberfläche der
Dichtscheibe umfasst. Die Trägerschicht
besteht aus einem härteren Material
als die mindestens eine Kompensationsschicht. Der Vorteil ist, dass
die Eigenschaften hohe Festigkeit, für die Hochdrucksicherheit,
und Ausgleich von Unebenheiten in der Dichtscheibe kombiniert werden
können,
wodurch die Anforderungen an die erste Endfläche des ersten Körpers und
die zweite Endfläche
des zweiten Körpers
verringert werden können
und die Dichtwirkung verbessert werden kann. Die harte Trägerschicht
kann so ausgebildet sein, dass sie dem hohen Druck standhält. Die
weiche Kompensationsschicht ist demgegenüber leichter verformbar, so
dass Unebenheiten und feine Schmutzpartikel in der Kompensationsschicht
eingebettet werden können,
die so die Hochdruckdichtheit nicht mehr beinträchtigen können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils
sind in der ersten Oberfläche und/oder
der zweiten Oberfläche
der Dichtscheibe Erhebungen und/oder Vertiefungen ausgebildet, so dass
nur ein Teil der ersten Oberfläche
dichtend zu der ersten Endfläche
des ersten Körpers
und/oder der zweiten Oberfläche
dichtend zu der zweiten Endfläche
des zweiten Körpers
angeordnet ist. Dies ermöglicht
eine weitere Verkleinerung der dichtenden Fläche und verbessert so die Hochdruckdichtheit. Ferner
können
Unebenheiten besser ausgeglichen werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand der ersten
Oberfläche
und der zweiten Oberfläche
der Dichtscheibe kleiner als 0,1 Millimeter. Dies hat den Vorteil,
dass die Dichtscheibe zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper gut
gestützt
wird, so dass die Dichtscheibe durch die hohen Drücke nicht
verformt wird und so die Hochdruckdichtheit sichergestellt werden
kann. Ferner ist eine sehr gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks
durch sehr geringe Abweichungen in der Dicke der Dichtscheibe möglich, da
die Dichtscheibe sehr präzise
gefertigt werden kann. Vorteilhaft ist auch die geringe Bauhöhe der Dichtscheibe.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils
besteht die Dichtscheibe aus einem weicheren Material als der erste
und/oder der zweite Körper.
Dies hat den Vorteil, dass durch die leichtere Verformbarkeit des
weicheren Materials Unebenheiten ausgeglichen und feine Schmutzpartikel in
diesem eingebettet werden können,
so dass diese die Hochdruckdichtheit nicht beeinträchtigen
können. Die
Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit
der ersten Endfläche
des ersten Körpers
und der zweiten Endfläche
des zweiten Körpers
können
reduziert werden. Dadurch kann das Einspritzventil einfacher und
billiger hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Einspritzventil,
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2 eine
Draufsicht auf eine erste Ausführungsform
der Dichtscheibe,
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3a eine
Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform
der Dichtscheibe,
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3b einen
Schnitt durch die zweite Ausführungsform
der Dichtscheibe,
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4a eine
Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform
der Dichtscheibe, und
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4b einen
Schnitt durch die dritte Ausführungsform
der Dichtscheibe.
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Elemente
gleicher Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen Teil eines Einspritzventils, das einen Ventilkörper 1,
einen Injektorkörper 2,
eine Anschlagscheibe 3, einen Düsenkörper 4, eine Düsenspannmutter 5 und
Dichtscheiben 6 umfasst. Die Dichtscheiben 6 sind
zwischen dem Ventilkörper 1 und
dem Injektorkörper 2,
dem Injektorkörper 2 und der
Anschlagscheibe 3 und zwischen der Anschlagscheibe 3 und
dem Düsenkörper 4 angeordnet.
Die Düsenspannmutter 5 umschließt und fixiert
die Körper
und Scheiben und presst diese aufeinander.
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Das
Einspritzventil umfasst ferner eine Hochdruckbohrung 7,
eine Hochdruckkammer 8, eine Drossel 9 und einen
Steuerraum 10, die kommunizierend miteinander verbunden
sind. Die Hochdruckbohrung 7 leitet Kraftstoff unter hohem
Druck sowohl in die Hochdruckkammer 8 als auch durch die Drossel 9 in
den Steuerraum 10.
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Ferner
umfasst das Einspritzventil einen Piezoaktuator 11, einen
Ventilkolben 12, einen Ventilpilz 13 und eine
Ventilfeder 14, die axial aneinandergrenzen. Der Piezoaktuator 11 wirkt
in axialer Richtung auf den Ventilkolben 12. Der Ventilkolben 12 wirkt
auf den Ventilpilz 13, der diesen von einem Ventilsitz
abhebt, wenn der Piezoaktuator 11 so angesteuert wird, dass
er sich axial verlängert.
Der Kraftstoff kann dann aus dem Steuerraum 10 in einen
Niederdruckkreis abfließen.
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Wird
der Piezoaktuator 11 so angesteuert, dass er sich axial
verkürzt,
drückt
die Ventilfeder 14 den Ventilpilz 13 gegen den
Ventilsitz und versperrt so den Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 10,
so dass sich über
die Hochdruckbohrung 7 und die Drossel 9 in dem
Steuerraum 10 ein hoher Kraftstoffdruck aufbaut.
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Das
Einspritzventil umfasst ferner einen Steuerkolben 15, eine
Düsennadel 16 und
eine Einspritzdüse 17.
Der Steuerkolben 15 ist mit der Düsennadel 16 verbunden.
Der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 10 wirkt auf die
Endfläche
des Steuerkolbens 15, so dass die Düsennadel 16 in axialer
Richtung gegen einen Ventilsitz im Düsenkörper 4 gedrückt wird
und die Einspritzdüse 17 verschließt.
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Wird
der Piezoaktuator 11 so angesteuert, dass er sich axial
verlängert,
dann sinkt der Druck in dem Steuerraum 10 durch Abfluss
von Kraftstoff in den Niederdruckkreis und die Düsennadel 16 wird aufgrund
des hohen Kraftstoffdrucks, der auf die Kanten der Düsennadel 16 in
der Hochdruckkammer 8 und an der Spitze der Düsennadel 16 einwirkt,
von dem Ventilsitz abgehoben. Der Kraftstoff strömt dann durch die Einspritzdüse 17 in
den Verbrennungsraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.
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Wird
der Piezoaktuator 11 so angesteuert, dass er sich axial
verkürzt,
dann kann sich in dem Steuerraum 10 wieder ein hoher Kraftstoffdruck
aufbauen, so dass der Steuerkolben 15 die Düsennadel 16 wieder
in die Position bewegt, in der die Einspritzdüse 17 verschlossen
ist. Eine Düsenfeder 18 verhindert
eine Kraftstoffzumessung, wenn kein ausreichender Kraftstoffdruck
besteht, beispielsweise in Betriebspausen der Brennkraftmaschine.
Eine Ablaufbohrung 19 führt
in den Bereich der Düsenfeder 18 eindringenden
Kraftstoff in den Niederdruckkreis ab.
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2 zeigt
die Dichtscheibe 6, die auf eine Endfläche 20 eines Körpers aufgebracht
ist. Der Körper
ist beispielsweise der Ventilkörper 1,
der Injektorkörper 2,
die Anschlagscheibe 3 oder der Düsenkörper 4 und die Endfläche 20 des
Körpers
ist die Fläche des
Körpers,
die jeweils an einen der anderen Körper angrenzt, also beispielsweise
zwischen Ventilkörper 1 und
Injektorkörper 2,
zwischen Injektorkörper 2 und Anschlagscheibe 3 oder
zwischen Anschlagscheibe 3 und Düsenkörper 4. Das Einspritzventil
kann auch mehr oder weniger Körper
und Scheiben umfassen als den Ventilkörper 1, den Injektorkörper 2,
die Anschlagscheibe 3 und den Düsenkörper 4.
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In
die Endfläche 20 des
Körpers
münden mehrere
Bohrungen und/oder Ausnehmungen 21 des Körpers, die
beispielsweise Zentrierstifte für
die Ausrichtung und Lagefixierung jeweils zweier Körper des
Einspritzventils zueinander, die Düsennadel 16 oder andere
Elemente des Einspritzventils aufnehmen können, oder unter hohem Druck
stehenden Kraftstoff durch die Körper
des Einspritzventils leiten.
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Die
Dichtscheibe 6 hat mehrere Ausnehmungen 22. Die
Ausnehmungen 22 der Dichtscheibe 6 sind entsprechend
den Bohrungen und/oder Ausnehmungen 21 des Körpers in
die Dichtscheibe 6 eingebracht. Vorzugsweise sind weitere
Ausnehmungen 22 in die Dichtscheibe 6 eingebracht,
die eine Kontaktfläche
zwischen der Dichtscheibe 6 und der Endfläche 20 des
Körpers
und zwischen der Dichtscheibe 6 und einer zweiten Endfläche eines
zweiten Körpers,
der in 2 nicht dargestellt ist, reduzieren.
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Die
Dichtscheibe 6 umschließt im Wesentlichen nur die
hochdruckführenden
Ausnehmungen 21 des Körpers,
um diese in radialer Richtung abzudichten. Stege 23 können in
der Dichtscheibe 6 ausgebildet sein, die die verschiedenen,
um die Ausnehmungen 21 des Körpers ausgebildeten, dichtenden
Bereiche der Dichtscheibe 6 miteinander verbinden. Gegebenenfalls
können
auch im äußeren Bereich
der Dichtscheibe 6 entlang des äußeren Randes der Körper Stege 23 ausgebildet
sein, wie in 2 dargestellt ist. Dies kann
die Stabilität
erhöhen
und kann insbesondere das Eindringen von Schmutz, Feuchtigkeit oder
korrosiven Substanzen verhindern, die die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
des Einspritzventils reduzieren können. Ferner kann so die Handhabbarkeit
der Dichtscheibe 6 verbessert sein ohne die Kontaktfläche wesentlich
zu vergrößern.
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Die
Dichtscheibe 6 kann als ein dünnes Blech oder eine dünne Folie
ausgebildet sein, deren Dicke kleiner ist als 1 Millimeter, beispielsweise
0,2 Millimeter, und vorzugsweise klei ner ist als 0,1 Millimeter.
Die Dichtscheibe 6 kann beispielsweise durch Feinstanzen,
durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden oder ähnliche Verfahren hergestellt
werden. Ebenso sind elektrochemische Verfahren geeignet, wie beispielsweise
das electro chemical machining, das auch als ECM-Verfahren bezeichnet wird. Insbesondere
ist das bipolare ECM-Verfahren
geeignet, sehr feine Strukturen in der Dichtscheibe 6 auszubilden.
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3a zeigt
die Dichtscheibe 6 mit zwei Ausnehmungen 22 der
Dichtscheibe 6 und den Steg 23. 3b zeigt
einen Schnitt durch die Dichtscheibe 6, die drei Schichten
umfasst. Auf einer Trägerschicht 24 ist
auf der Oberseite und der Unterseite der Dichtscheibe 6 jeweils
eine Kompensationsschicht 25 aufgebracht. Die Kompensationsschichten 25 umfassen eine
erste Oberfläche 26 der
Dichtscheibe 6 und eine zweite Oberfläche 27 der Dichtscheibe 6,
die dafür vorgesehen
sind, die dichtenden Kontaktflächen
zu bilden.
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Die
Trägerschicht 24 ist
vorzugsweise aus einem festen Material gefertigt, beispielsweise
aus hartem, hochfestem Stahl, der der Dichtscheibe 6 die erforderliche
Festigkeit gibt. Die Kompensationsschichten 25 sind vorzugsweise
aus einem weicheren Material wie beispielsweise Nickel hergestellt, das
durch seine hohe Verformbarkeit Unebenheiten ausgleichen und feine
Schmutzpartikel einbetten kann. Die Kompensationsschichten 25 können beispielsweise
durch galvanische Abscheidung wenige Mikrometer dick auf die Trägerschicht 24 aufgebracht sein.
Durch die geringe Dicke der Kompensationsschichten 25 werden
diese bei dem Aneinanderpressen der Körper und der Dichtscheibe 6 gut
durch die vorzugsweise aus einem härteren Material gefertigten
Körper
und die Trägerschicht 24 gestützt, so
dass die Hochdruckdichtheit nicht beeinträchtigt wird. Durch die weiche
Kompensationsschicht 25 können die Anforderungen an die
Oberflächenbeschaffenheit der
Endfläche 20 des
Körpers
oder der zweiten Endfläche
des zweiten Körpers
reduziert werden, da Unebenheiten und eine größere Rauheit der Oberfläche durch
Verformung der Kompensationsschicht 25 kompensiert werden
können.
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Die
Dichtscheibe 6 kann auch weniger oder mehr als drei Schichten
umfassen. Die Anzahl und die Eigenschaften der Schichten können abhängig von
den jeweiligen Anforderungen gewählt
werden. So kann beispielsweise eine einzige Schicht ausreichen,
insbesondere wenn diese die Anforderungen bezüglich der Festigkeit und der
Verformbarkeit erfüllt.
Ein zweischichtiger Aufbau der Dichtscheibe 6 kann vorteilhaft
sein, wenn beispielsweise die aneinandergrenzenden und abzudichtenden
Körper
aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind oder die Oberflächenbeschaffenheit
der Endflächen
der Körper
unterschiedlich sind.
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Als
vorteilhaft hat sich ein Härtebereich
für die
Dichtscheibe 6 zwischen 30 und 50 entsprechend der Skala
C der Härte
nach Rockwell erwiesen. In diesem Härtebereich ist sowohl eine
hohe Festigkeit als auch eine ausreichende Verformbarkeit gegeben. Die
Auswahl des Materials für
die Dichtscheibe 6 und dessen Härte müssen abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall
gewählt
werden. Ferner sind die Materialien der an die Dichtscheibe 6 angrenzenden Körper und
deren Härte
zu berücksichtigen.
Im Allgemeinen ist es günstig,
die Dichtscheibe 6 aus einem weicheren Material zu fertigen
als die Körper.
Die Dichtscheibe 6 muss jedoch eine genügend hohe Festigkeit haben,
um durch die hohen Drücke
nicht zwischen den Körpern
herausgedrückt
zu werden. Durch eine geringe Dicke der Dichtscheibe 6 kann aufgrund
der Stützwirkung
durch die angrenzenden, aus härteren
Materialien gefertigten, Körper
der Verformung der Dichtscheibe 6 entgegengewirkt werden.
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In 4a ist
die Dichtscheibe 6 mit zwei Ausnehmungen 22 der
Dichtscheibe 6 und dem Steg 23 gezeigt. 4b zeigt
einen Schnitt durch die in 4a dargestellte
Dichtscheibe 6. In der ersten Oberfläche 26 der Dichtscheibe 6 und
der zweiten Oberfläche 27 der
Dichtscheibe 6 sind Erhöhungen und Vertiefungen
ausgebildet, die so angeordnet sind, dass sie die Ausnehmungen 22 jeweils
umschließen.
In 4a ist dies durch die in sich geschlossenen Linien
in der Dichtscheibe 6 dargestellt, die die Ausnehmungen 22 der
Dichtscheibe 6 umschließen. Nur ein Teil der ersten
Oberfläche 26 der Dichtscheibe 6 oder
der zweiten Oberfläche 27 der Dichtscheibe 6 haben
Kontakt zu der Endfläche 20 des
Körpers
oder der zweiten Endfläche
des zweiten Körpers.
Dadurch wird die effektive Kontaktfläche zwischen der Dichtscheibe 6 und
der Endfläche 20 des
Körpers
und/oder zwischen der Dichtscheibe 6 und der zweiten Endfläche des
zweiten Körpers
verringert. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können beispielsweise
in die Dichtscheibe 6 geprägt werden. Vorzugsweise sind
die Erhebungen nur wenige Mikrometer hoch und die Vertiefungen nur
wenige Mikrometer tief.
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Das
Einspritzventil hat den Vorteil, dass durch die Verkleinerung der
effektiven dichtenden Flächen
bei gleicher Spannkraft ein größerer Anpressdruck
und damit eine verbesserte Hochdruckdichtheit erreicht werden kann.
Die dichtenden Flächen
können
in der Dichtscheibe 6 sehr fein ausgearbeitet werden, auch
unter den Bedingungen der Massenproduktion. Die Dichtwirkung kann
lokal gezielt dort hergestellt werden, wo sie benötigt wird,
also insbesondere dort, wo Kraftstoff unter hohem Druck geführt werden
soll. Ferner können
die Anforderungen an die Glattheit der Endfläche 20 des Körpers und der
zweiten Endfläche
des zweiten Körpers
reduziert werden, da die Dichtscheibe 6 durch ihren Aufbau und/oder
durch die entsprechende Wahl eines geeigneten Materials in der Lage
ist, Unebenheiten zu kompensieren. Die Dichtscheiben 6 können einfach und
billig in großen
Mengen produziert werden.