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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 101 64 123
A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil zur direkten Einspritzung
von Dieselbrennstoff in eine Brennkraftmaschine bekannt. Das bekannte
Brennstoffeinspritzventil weist ein aus mehreren Gehäuseteilen
bestehendes Ventilgehäuse auf,
das mit einem Brennstoffeinlassstutzen verbunden ist. Dabei ist
innerhalb des Ventilgehäuses
ein Kanal zur Durchleitung von Brennstoff ausgebildet, der in einen
Druckraum mündet,
welcher in Abspritzrichtung gesehen unterhalb einer Hubübersetzungseinrichtung
des Brennstoffeinspritzventils, innerhalb des Ventilgehäuses vorgesehen
ist. Aufgrund des hohen Druckes des Brennstoffs wirken hohe Kräfte im Bereich
des Kanals, so dass die Gehäuseteile, insbesondere
im Bereich des Brennstoffkanals, massiv ausgeführt sind. Im Bereich eines
Steuerraums, in dem im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils Brennstoff
unter hohem Druck vorgesehen ist, sind die Gehäuseteile des Ventilgehäuses ebenfalls
massiv ausgeführt.
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Das
aus der
DE 101 64
123 A1 bekannte Brennstoffeinspritzventil hat somit den
Nachteil, dass ein hoher Fertigungsaufwand mit erheblichem Materialeinsatz
erforderlich ist und außerdem
die Baugröße des Brennstoffeinspritzventils
in Bezug auf den nutzbaren Innenraum vergrößert ist. Zur Vergrößerung des
Brennstoffeinspritzventils trägt
außerdem die
Ausgestaltung des Kanals zur Durchleitung von Brennstoff in den
unterhalb der Hubübersetzungseinrichtung
vorgesehenen Druckraum bei.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Stabilität des Ventilgehäuses des
Brennstoffeinspritzventils mit einem optimierten Materialeinsatz
gewährleistet
werden kann. Insbesondere ist die Abdichtung zwischen den Gehäuseteilen
des Ventilgehäuses
verbessert. Somit kann gegenüber
dem Stand der Technik die gleiche Stabilität mit geringerem Fertigungsaufwand,
insbesondere geringerem Materialaufwand, erzielt werden und außerdem der
für das
Brennstoffeinspritzventil benötigte
Einbauraum verringert werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise begrenzen die Gehäusewand des ersten Gehäuseteils
und die Gehäusewand
des zweiten Gehäuseteils
einen Innenraum des Ventilgehäuses,
in dem im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils unter hohem Druck
stehender Brennstoff vorgesehen ist. Dadurch kann der Brennstoff
direkt durch den Innenraum des Ventilgehäuses geleitet werden, ohne
dass ein zusätzlicher
Brennstoffkanal erforderlich ist. Die Dichtwirkung an der Schnittstelle
zwischen den beiden Gehäuseteilen des
Ventilgehäuses
ist dabei durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gewährleistet.
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Vorteilhaft
ist es, dass das erste Gehäuseteil mit
dem zweiten Gehäuseteil
mittels einer Spannmutter verbunden ist. Ferner ist es vorteilhaft,
dass das erste Gehäuseteil
ein Außengewinde
aufweist, dass die Spannmutter ein Innengewinde aufweist, dass das
Innengewinde der Spannmutter zur Verbindung des ersten Gehäuseteils
mit dem zweiten Gehäuseteil
im Eingriff steht und dass die Spannmutter so ausgestaltet ist,
dass eine möglichst
gleichmäßige Kraftübertragung über die
in Eingriff stehenden Gewindegänge
des ersten Gehäuseteils
und der Spannmutter erfolgt. Bei einer gewöhnlichen Schraubverbindung
wird der größte Teil
der Haltekraft von den ersten Gewindegängen aufgebracht. Durch eine
geeignete Geometrieauslegung der Spannmutter können allerdings die durch den
hohen Druck des Brennstoffs hervorgerufenen Spannungen optimiert,
insbesondere gleichmäßig verteilt
werden, so dass Spannungsspitzen vermieden werden und eine gleichmäßige Spannungsbelastung
auftritt, die zusätzlich
die durch den Innendruck auftretenden Spannungen reduziert. Die
Ausgestaltung der Spannmutter kann dabei mittels eines von der Finite-Elemente-Methode Gebrauch
machenden Verfahrens bestimmt werden. Speziell kann die Spannmutter
zumindest im Bereich der vorderen in Eingriff stehenden Gewindegänge eine
kleinere Wandstärke
aufweisen als im Bereich der hinteren in Eingriff stehenden Gewindegänge.
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Vorteilhaft
ist es, dass das zweite Gehäuseteil
eine konische Stützschulter
aufweist und dass das erste Gehäuseteil
an der Stützschulter
abgestützt
ist. Auf diese Weise wird eine vorteilhafte Abstützung des ersten Gehäuseteils
in radialer Richtung erreicht, bei der auf Grund des Innendrucks
des Brennstoffs die Dichtkraft und damit die Dichtfunktion an der
Schnittstelle zwischen den Gehäuseteilen
unterstützt
wird.
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In
vorteilhafter Weise weist das zweite Gehäuseteil im Verbindungsbereich
eine größere Wandstärke als
das erste Gehäuseteil
auf, so dass die Stützwirkung
weiter verbessert ist. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Gehäuseteil
aus einem Material gebildet sein, das eine erhöhte Festigkeit aufweist. Das
zweite Gehäuseteil
kann beispielsweise aus einem hochlegierten Stahl gefertigt sein,
so dass in Bezug auf die Herstellung des gesamten Brennstoffeinspritzventils
der Fertigungsaufwand und die Fertigungskosten optimiert sind.
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Zeichnung
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der
beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des Brennstoffeinspritzventils der Erfindung in einer axialen Schnittdarstellung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils 1 der Erfindung in einer schematischen
axialen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann
insbesondere als Injektor für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für Nutzkraftwagen
oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common Rail, das Dieselbrennstoff unter
hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein aus einem ersten
Gehäuseteil 2 und
einem zweiten Gehäuseteil 3 bestehendes
Ventilgehäuse 4 auf.
Das erste Gehäuseteil 2 ist
dabei als Injektorkörper 2 ausgestaltet
und das zweite Gehäuseteil 3 ist
als Düsenkörper 3 ausgestaltet.
Ferner weist das Brennstoffeinspritzventil 1 einen Ventilsitzkörper 5 auf,
der einstückig
mit dem zweiten Gehäuseteil 3 verbunden
ist. An dem Ventilsitzkörper 5 ist
eine Ventilsitzfläche 6 ausgebildet,
die mit einem von einer Ventilnadel 7 betätigbaren
Ventilschließkörper 8 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist der Ventilschließkörper 8 einteilig
mit der Ventilnadel 7 ausgebildet.
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Die
Ventilnadel 7 weist einen Ventilnadelkolben 9 auf,
der in einer Ventilnadelführung 14 des zweiten
Gehäuseteils 3 geführt ist.
Die Ventilnadel 7 ist dabei im Wesentlichen innerhalb des
zweiten Gehäuseteils 3 angeordnet.
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Das
erste Gehäuseteil 2 des
Brennstoffeinspritzventils 1 weist einen vereinfacht dargestellten Brennstoffeinlassstutzen 10 auf,
an dem eine (nicht dargestellte) Brennstoffleitung anschließbar ist,
um das Brennstoffeinspritzventil 1 an ein Common Rail oder
eine andere Einrichtung anzuschließen. Der Brennstoffeinlassstutzen 10 weist
einen Brennstoffkanal 11 auf, über den Brennstoff in einen
Innenraum 12 des Ventilgehäuses 4 des Brennstoffeinspritzventils 1 einbringbar
ist. Der Innenraum 12 ist dabei durch das erste Gehäuseteil 2 und
das zweite Gehäuseteil 3 vorgegeben.
Außerdem
ist in dem zweiten Gehäuseteil 3 noch
ein Brennstoffraum 13 ausgebildet, der über in der Ventilnadelführung 14 vorgesehene
Durchlassöffnungen 15, 16 mit
dem Innenraum 12 verbunden ist, so dass der durch den Brennstoffkanal 11 in
das Brennstoffeinspritzventil 1 eingeführte Brennstoff über den
Innenraum 12 und die Durchlassöffnungen 15, 16 in
den Brennstoffraum 13 gelangt. Der Druck des Brennstoffs
kann dabei beispielsweise 200 MPa (2000 bar) betragen.
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In
dem Innenraum 12 des Ventilgehäuses 4 ist ein piezoelektrischer
Aktor 17 angeordnet, der aus mehreren Schichten besteht.
An den Aktor 17 ist einerseits ein Aktorfuß 18 angefügt, der
sich an einer Innenseite 19 des ersten Gehäuseteils 2 abstützt. An dem
ersten Gehäuseteil
ist gegenüberliegend
zu dem Aktorfuß 18 eine
elektrische Anschlussstelle 20 ausgebildet, an der eine
(nicht dargestellte) elektrische Zuleitung mit dem Brennstoffeinspritzventil 1 verbunden
werden kann, um elektrische Leitungen 21, 22 über die
elektrische Zuleitung mit einem Steuergerät oder dergleichen zu verbinden.
Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind durch das
erste Gehäuseteil 2 und
den Aktorfuß 18 in
den Innenraum 12 des Ventilgehäuses 4 geführt und über elektrische
Kontakte 23, 24 mit den aktiven Schichten des
Aktors 17 verbunden. Andererseits ist an den Aktor 17 ein
Aktorkopf 30 angefügt.
Bei einer Beaufschlagung des Aktors 17 mit einer Steuerspannung
erfolgt eine Ladung des Aktors 17, so dass sich dieser
in einer axialen Richtung 31 entgegen der Kraft einer Ventilfeder 32 ausdehnt,
wobei der Aktor 17 über
den Aktorkopf 30 und eine Druckplatte 33, einen
Ventilkolben 34 in der axialen Richtung 31 verstellt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich
durch die Ladung des Aktors 17 die in 1 dargestellte
Ausgangslage des Ventilkolbens 34, in der sich das Brennstoffeinspritzventil 1 im geschlossenen
Zustand befindet, wie es nachfolgend weiter ausgeführt ist.
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Der
Ventilkolben 34 ist auf der der Druckplatte 33 abgewandten
Seite in einer Steuerraumhülse 35 geführt, die
sich mit einer Kante 36 an einer Drosselplatte 37 abstützt, wodurch
ein Steuerraum 38 gebildet ist. Die Steuerraumhülse 35 wird
dabei von der Ventilfeder 32 beaufschlagt, die sich einerseits
an der Drosselplatte 33 und andererseits an einer Stirnseite der
Steuerraumhülse 35 abstützt. Im
nicht betätigten Zustand
des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich im Steuerraum 38 Brennstoff
unter hohem Druck.
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Der
Steuerraum 38 steht über
eine in der Drosselplatte 37 ausgebildete Drossel 39 mit
einem weiteren Steuerraum 40 in Verbindung. Der Steuerraum 40 ist
dabei durch den Ventilnadelkolben 9, die Drosselplatte 37 und
eine weitere Steuerraumhülse 41 gebildet,
die sich einerseits über
eine Kante 42 an der Drosselplatte 37 abstützt und
andererseits von einer weiteren Ventilfeder 43 beaufschlagt
wird. Die Ventilfeder 43 stützt sich dabei einerseits an
der Steuerraumhülse 41 und
andererseits an einem mit dem Ventilnadelkolben 9 befestigten
Ringelement 44 ab. In dem dargestellten Ausgangszustand,
in dem das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen ist,
befindet sich in dem Brennraum 40 Brennstoff unter hohem
Druck.
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Der
Ventilkolben 34, die Steuerraumhülse 35, die Drosselplatte 37,
die Steuerraumhülse 41,
der Ventilnadelkolben 9 und die Ventilfedern 32, 43 sind Teil
eines hydraulischen Kopplers 45. Durch den hydraulischen
Koppler 45 werden insbesondere während des Betriebs des Brennstoffeinspritzventils 1 auf Grund
von Temperaturänderungen
hervorgerufene Längenänderungen
von Bauteilen des Brennstoffeinspritzventils 1 kompensiert.
Dabei ist zwischen dem Ventilkolben 34 und der Steuerraumhülse 35 sowie zwischen
dem Ventilnadelkolben 9 und der Steuerraumhülse 41 jeweils
ein Leckspalt ausgebildet, der einen Brennstoffzufluss und Brennstoffabfluss über einen
Zeitraum ermöglichen,
der groß ist
im Vergleich zu einem Betätigungszyklus.
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Zur
Betätigung
des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Aktor 17 durch
Absenken der Steuerspannung entladen, so dass sich der Aktor entgegen
der axialen Richtung 31 zusammenzieht. Durch die Kraft der
Ventilfeder 32 erfolgt eine Verschiebung des mit der Druckplatte 33 verbundenen
Kolbens 34 entgegen der axialen Richtung 31, so
dass sich der Druck des Brennstoffs im Steuerraum 38 erheblich
verringert. Über
die Drossel 39 erfolgt auf Grund des entstandenen Druckunterschieds
ein Druckausgleich zwischen dem Steuerraum 40 und dem Steuerraum 38,
wodurch sich auch der Druck des Brennstoffs im Steuerraum 40 verringert.
Die an einer Druckschulter 50 an dem Ventilnadelkolben 9 der
Ventilnadel 7 angreifende Kraft, die durch den hohen Druck
des Brennstoffs im Brennstoffraum 13 hervorgerufen wird, überwiegt
dann die entgegengesetzt wirkende Kraft, die sich aus der Kraft
der Ventilfeder 43 und der durch den Druck des Brennstoffs
im Steuerraum 40 erzeugten, auf den Ventilnadelkolben 9 einwirkenden Kraft
zusammensetzt. Dadurch erfolgt eine Verstellung des Ventilnadelkolbens 9 entgegen
der axialen Richtung 31, so dass sich der mit der Ventilnadel 7 verbundene
Ventilschließkörper 8 von
der an dem Ventilsitzkörper 5 ausgebildeten
Ventilsitzfläche 6 abhebt und
der zwischen der Ventilsitzfläche 6 und
dem Ventilschließkörper 8 gebildete
Dichtsitz geöffnet wird.
Dadurch kann Brennstoff aus dem Brennstoffraum 13 über den
geöffneten
Dichtsitz und das Spritzloch 52 in einen (nicht dargestellten)
Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Zum
Schließen
des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Aktor 17 durch
eine Erhöhung
der Steuerspannung wieder geladen, so dass sich der Aktor 17 in
der axialen Richtung 31 ausdehnt und durch die entsprechende
Verstellung des Ventilkolbens 34 der Druck des Brennstoffes
im Steuerraum 38 wieder angehoben wird. Dadurch strömt der Brennstoff
aus dem Steuerraum 38 über
die Drossel 39 in den Steuerraum 40, so dass auch
der Druck des Brennstoffes im Steuerraum 40 ansteigt. Sobald
die Kraft, die sich aus der Kraft der Ventilfeder 43 und
der durch den Druck des Brennstoffes im Steuerraum 40 auf
den Ventilnadelkolben 9 einwirkenden Kraft zusammensetzt,
die Kraft übersteigt,
die sich auf Grund des Druckes des Brennstoffs ergibt, der über die
Druckschulter 50 und an dem Ventilschließkörper 8 auf
die Ventilnadel 7 einwirkt, erfolgt eine Verstellung der
Ventilnadel 7 in der axialen Richtung 31 in die
in der 1 dargestellte Ausgangslage, in der das Brennstoffeinspritzventil 1 wieder
geschlossen ist.
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Das
erste Gehäuseteil 2 ist
mit dem zweiten Gehäuseteil 3 in
einem Verbindungsbereich 60 verbunden. Hierfür weist
eine Gehäusewand 61 des
ersten Gehäuseteils 2 ein
Außengewinde 62 auf,
das mit einem Innengewinde 63 einer Spannmutter 64 in
Eingriff steht. Das zweite Gehäuseteil 3 weist
eine Gehäusewand 65 auf,
wobei ein Absatz 66 der Gehäusewand 65 ausgebildet
ist, der von der Spannmutter 64 hintergrifen wird. Beim
Aufschrauben der Spannmutter 64 auf das Gewinde 62 des
ersten Gehäuseteils 2 stützt sich
die Spannmutter 64 an dem Absatz 66 ab, so dass
das erste Gehäuseteil 2 in
der axialen Richtung 31 gegen eine konische Stützschulter 67 des
zweiten Gehäuseteils 3 mit
einer Verbindungskraft beaufschlagt wird. Im Bereich der konischen Stützschulter 67,
die an der Gehäusewand 65 des zweiten
Gehäuseteils 3 ausgebildet
ist, verringert sich dabei der Querschnitt, insbesondere der Durchmesser,
des Innenraums 12 des Ventilgehäuses 4 in der axialen
Richtung 31.
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Die
Bauteile des Brennstoffeinspritzventils 1, für die ein
großer
Einbauraum erforderlich ist, sind im Bereich des großen Querschnitts
des Innenraums untergebracht. Beispielsweise ist für den Aktor 17, die
Ventilfeder 42, die Steuerraumhülse 35, den Ventilkolben 34 und
die Drosselplatte 37 ein großer Einbauraum erforderlich.
Um den Außendurchmesser des
Ventilgehäuses 4 des
Brennstoffeinspritzventils 1 zu optimieren, ist die Gehäusewand 61 des
ersten Gehäuseteils 2 im
Verbindungsbereich 60 mit verringertem Außendurchmesser
ausgestaltet. Der Durchmesser des Innenraums 12, der durch
das erste Gehäuseteil 2 vorgegeben
ist, ist allerdings in axialer Richtung 31 konstant, so
dass die Wandstärke
des ersten Gehäuseteils 2 im
Verbindungsbereich 60 verringert ist. Auf Grund des hohen
Druckes des Brennstoffs im Innenraum 12 treten daher hohe
Spannungen in der Gehäusewand 61 des
ersten Gehäuseteils 2 im
Verbindungsbereich 60 auf. Somit stellt das offene Ende
des ersten Gehäuseteils 2 des
Ventilgehäuses 4 im
Verbindungsbereich 60 eine Schwachstelle für die Auslegung
der Dichtigkeit und Festigkeit dar. Erfindungsgemäß stützt sich
deshalb die Gehäusewand 61 des
ersten Gehäuseteils 2 zumindest
mittelbar an der Gehäusewand 65 des
zweiten Gehäuseteils 3 in
radialer Richtung 68 ab. Ferner ist die Gehäusewand 65 des
zweiten Gehäuseteils 3 im
Verbindungsbereich 60 verstärkt ausgestaltet. Somit können die
in der Gehäusewand 61 des
ersten Gehäuseteils 2 im
Verbindungsbereich 60 auf Grund des hohen Druckes des Brennstoffs
auftretenden Spannungen von der Gehäusewand 65 des zweiten Gehäuseteils 3 aufgenommen
werden, so dass die oben genannte Schwachstelle behoben ist. Speziell kann
dadurch der Druck des Brennstoffs im Innenraum 12 erheblich
gesteigert werden und beispielsweise Werte von 200 MPa (2000 bar)
annehmen. Die Dichtwirkung zwischen der Gehäusewand 61 des ersten
Gehäuseteils 2 und
der Gehäusewand 65 des zweiten
Gehäuseteils 3 wird
zum einen durch die in axialer Richtung 31 wirkende Spannkraft
der Spannmutter 64 aufgebracht. Zum anderen ergibt sich durch
den Druck des Brennstoffs im Innenraum 12 eine zusätzliche
Beaufschlagung der Gehäusewand 61 des
ersten Gehäuseteils 2 in
radialer Richtung 68 gegen die konische Stützschulter 67,
wodurch sich eine zusätzliche,
selbstverstärkende
Dichtwirkung ergibt.
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Um
die Festigkeit im Verbindungsbereich 60 weiter zu verbessern,
kann die Gehäusewand 65 des zweiten
Gehäuseteils 3 zumindest
im Bereich der konischen Stützschulter 67 aus
einem Material mit erhöhter
Festigkeit ausgestaltet sein.
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Eine
weitere Reduzierung der auftretenden Spannungen ergibt sich durch
die Ausgestaltung der Spannmutter 64. Die Geometrieauslegung
der Spannmutter 64 ist mittels einer Finite-Elemente-Methode
so bestimmt, dass Spannungsspitzen vermieden werden und eine gleichmäßige Spannungsbelastung
auftritt, die zusätzlich
die durch den Innendruck auftretenden Spannungen reduziert. Insbesondere
wird die Kraftverteilung im Eingriffsbereich der Gewinde 62, 63 verbessert,
indem die Spannmutter 64 im Bereich 69 der vorderen
in Eingriff stehenden Gewindegänge
eine kleinere Wandstärke
aufweist als im Bereich 70 der hinteren in Eingriff stehenden Gewindegänge, was
beispielsweise durch die in der 1 dargestellte
bauchförmige
Ausgestaltung der Spannmutter 64 im Verbindungsbereich 60 erreicht werden
kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere
eignet sich die Erfindung auch für
ein Brennstoffeinspritzventil 1, das ein aus mehr als zwei
Gehäuseteilen 2, 3 zusammengesetztes
Ventilgehäuse 4 aufweist.
Ferner eignet sich die Erfindung auch für Brennstoffeinspritzventile 1 mit
anderen Betätigungsmechanismen.
Insbesondere kann der in dem Ausführungsbeispiel als Wegverstärker ausgebildete
hydraulische Koppler 45 auch als Kraftverstärker ausgebildet
sein oder lediglich die Funktion der Temperaturkompensation übernehmen.