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Die
Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil aus, wie es beispielsweise
aus der Offenlegungsschrift
DE 100 24 703 A1 bekannt ist. Solche Kraftstoffeinspritzventile
weisen ein Gehäuse
auf, das aus mehreren Teilen besteht. Der Teil, der die Einspritzöffnungen
aufweist, durch die der Kraftstoff letztendlich in den entsprechenden
Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wird üblicherweise
als Ventilkörper
oder Düsenkörper bezeichnet, der
im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Da der Ventilkörper mit
einem zugehörigen Haltekörper verbunden
werden muss, der ebenfalls Teil des Gehäuses ist, ist eine Spannmutter
vorgesehen, die den Ventilkörper
auf einem Teil seiner Länge umgibt
und die an einer Ventilschulter zur Anlage kommt. Die Ventilschulter
wird durch wenigstens zwei unterschiedliche zylindrische Abschnitte
des Ventilkörpers
gebildet, wobei der erste zylindrische Abschnitt, der dem Haltekörper zugewandt
ist, einen größeren Durchmesser
aufweist als der zweite zylindrische Abschnitt. Die Spannmutter
wird auf ein Außengewinde
des Haltekörpers
aufgeschraubt und greift dabei an dieser Ventilschulter an, sodass
eine axiale Kraft auf den Ventilkörper in Richtung des Haltekörpers ausgeübt wird.
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Da
bei modernen Kraftstoffeinspritzventilen immer höhere Drücke eingesetzt werden, um eine gute
Zerstäubung
des Kraftstoffs zu erreichen, sind entsprechend hohe axiale Kräfte nötig, um
den Ventilkörper
sicher mit dem Haltekörper
zu verbinden und die notwendige Dichtheit an der Übergangsfläche zu erreichen.
Die hohen axialen Kräfte
an der Ventilschulter führen
im Bereich zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt und dem zwei ten
zylindrischen Abschnitt zu Zugspannungen, so dass hohe Kerbspannungen
entstehen, da in der Regel ein rechtwinkliger Übergang zwischen dem ersten
und dem zweiten zylindrischen Abschnitt gegeben ist. Übersteigen
die Kerbspannungen einen kritischen Wert, kann an dieser Stelle
ein Riss im Ventilkörper
entstehen, durch den Kraftstoff aus dem Inneren des Ventilkörpers austreten
kann. Schlimmstenfalls könnte es
auch zu einem völligen
mechanischen Versagen des Ventilkörpers kommen.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass auch bei hohen axialen Verspannungskräften und
hohen inneren Drücken
die mechanische Stabilität
des Ventilkörpers
gegeben ist. Hierzu werden die Kerbspannungen am Übergang
vom ersten zylindrischen Abschnitt zum zweiten zylindrischen Abschnitt minimiert.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass am Übergang ein Hinterstich vorgesehen
ist, der vorzugsweise einen fließenden, gerundeten Übergang zur
Ventilschulter und zum zweiten zylindrischen Abschnitt aufweist.
Dies führt
an dieser Stelle des Ventilkörpers
zu einer höheren
Flexibilität
und damit zu einem Ausgleich der mechanischen Spannungen, was die
auftretenden Kerbspannungen mindert. Auch bei den notwendig hohen
axialen Kräften
bleiben die Kerbspannungen damit unter einem kritischen Wert, so
dass diese für
die Entstehung eines Risses nicht ausreichen und ein mechanisches
Versagen an dieser Stelle sicher ausgeschlossen werden kann.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Hinterstich
mit einem kreissegmentförmigen
Querschnitt ausgebildet, so dass ein weicher Übergang von der Ventilschulter
zur Ringnut und von der Ringnut zum zweiten zylindrischen Abschnitt
erreicht wird. Dadurch werden verbleibende Kerbspannungen minimiert
und die Festigkeit weiter erhöht.
Der Hinterstich kann hierbei ein axialer Hinterstich sein, bei dem
eine Hintergreifung bezüglich der
Längsachse
des Ventilkörpers
ausgebildet ist. Es ist auch möglich,
den Hinterstich so auszubilden, dass auch in radialer Richtung,
also in Richtung der Ventilschulter, eine Hintergreifung vorhanden
ist. Welche der Varianten im Einzelfall die bessere ist, muss durch
Versuche oder mit Simulationsrechnungen ermittelt werden.
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Der
gleiche Effekt kann auch dadurch erreicht werden, dass statt des
Hinterstichs am Übergang
im zweiten zylindrischen Abschnitt eine umlaufende Ringnut vorgesehen
ist, was den Ventilkörper in
diesem Bereich gezielt flexibilisiert und damit stärker elastisch
verformbar macht. Dadurch werden die Kerbspannungen am Übergang
vom ersten zum zweiten zylindrischen Abschnitt ebenfalls reduziert und
damit ein Riss in diesem Bereich verhindert. Diese Ringnut kann
entweder an der Innenseite oder der Außenseite des zweiten zylindrischen
Abschnitts vorgesehen sein, wobei auch hier ein fließender,
gerundeter Übergang
zur angrenzenden Innen- oder Außenseite
des zweiten zylindrischen Abschnitts vorgesehen ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Ventilkörper eine
Bohrung auf, in der die Ventilnadel geführt ist. Zwischen der Ventilnadel
und der Wand der Bohrung ist ein Druckraum ausgebildet, der im Bereich
der Ventilschulter radial erweitert ist. Die Ventilnadel wird in
einem Führungsabschnitt
der Bohrung geführt,
wobei sich der Führungsabschnitt im
ersten zylindrischen Abschnitt des Ventilkörpers befindet. Die Ringnut
im zweiten zylindrischen Abschnitt ist zu dieser Druckkammer beabstandet,
so dass weiterhin Kraftstoff ungehindert in die Druckkammer eingeleitet
werden kann. Die Ringnut im zweiten zylindrischen Abschnitt kann
hierbei auch zusätzlich
zum Hinterstich am Übergang
vom ersten zum zweiten zylindrischen Abschnitt ausgebildet sein.
Die Effekte überlagern
sich in diesem Fall, so dass sich die Wirkungen im wesentlichen
addieren.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung
und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung gezeigt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
wobei in der linken und rechten Hälfte der 1 zwei
verschiedene Ausführungsbeispiele
dargestellt sind,
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des mit II bezeichneten Ausschnittes der 1, also
des ersten Ausführungsbeispiels,
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3 eine
vergrößerte Darstellung
des mit III bezeichneten Ausschnitts der 1, also
des zweiten Ausführungsbeispiels,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, wobei
hier nur der Ventilkörper
gezeigt ist, dessen linke und rechte Hälfte unterschiedliche Ausgestaltungen
zeigen und
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel,
wobei hier die Ringnut an der Innenseite des Ventilkörpers ausgebildet
ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf,
das unter anderem einen Ventilkörper 3 und
einen Haltekörper 5 umfasst.
Der Ventilkörper 3 weist
eine Längsachse 6 auf
und ist an seiner Außenfläche im wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Außenmantelfläche des Ventilkörpers 3 wird
dabei von einem ersten zylindrischen Abschnitt 103 und
einem sich daran anschließenden
zweiten zylindrischen Abschnitt 203 gebildet, wobei der
zweite zylindrische Abschnitt 203 einen kleineren Durchmesser aufweist
als der erste zylindrische Abschnitt 103. An den zweiten
zylindrischen Abschnitt schließt
sich ein dritter zylindrischer Abschnitt 303 an, der wiederum einen
gegenüber
dem zweiten zylindrischen Abschnitt 203 etwas verringerten
Außendurchmesser aufweist.
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Durch
den ersten zylindrischen Abschnitt 103 und den zweiten
zylindrischen Abschnitt 203 ist an der Außenseite
des Ventilkörpers 3 eine
Ventilschulter 30 ausgebildet, die in einer Radialebene
zur Längsachse 6 des
Ventilkörpers 3 orientiert
ist. Um den Ventilkörper 3 gegen
den Haltekörper 5 zu
verspannen, ist der Ventilkörper 3 im
Bereich des ersten zylindrischen Abschnitts 103 und im
Bereich des zweiten zylindrischen Abschnitts 203 von einer Spannmutter 7 umgeben,
die eine Innenschulter 8 aufweist, mit der die Spannmutter 7 an
der Ventilschulter 30 zur Anlage kommt. Die Spannmutter 7 greift
in ein am Haltekörper 5 ausgebildetes
und in der Zeichnung nicht dargestelltes Außengewinde ein, sodass durch
Verschrauben der Spannmutter 7 eine axiale Spannkraft auf
den Ventilkörper 3 entsteht,
mit der dieser gegen den Haltekörper 5 gepresst
wird. Die Höhe
der axialen Spannkraft lässt
sich dabei über
das Anzugsmoment der Spannmutter 7 einstellen.
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Der
Ventilkörper 3 weist
eine Bohrung 9 auf, die an ihrem brennraumseitigen Ende
von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 16 begrenzt
wird, in dessen Bereich eine oder mehrere Einspritzöffnungen 18 ausgebildet
sind, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine münden. Die Ventilnadel 12 wird
mit einem Führungsabschnitt 112 in
einem Führungsbereich 11 der
Bohrung 3 dichtend geführt,
verjüngt
sich dem Ventilsitz 16 zu unter Bildung einer Druckschulter 21 und
geht schließlich
in einen Schaftbereich 212 über. Am ventilsitzseitigen
Ende der Ventilnadel 12 ist eine Ventildichtfläche 14 ausgebildet,
mit der die Ventilnadel 12 mit dem Ventilsitz 16 zusammenwirkt.
Zwischen der Ventilnadel 12 und der Wand der Bohrung 9 ist
ein Druckraum 20 ausgebildet, der sich auf Höhe der Druckschulter 21 radial
erweitert und so eine Druckkammer 22 bildet. Die Druckkammer 22 kann über einen
im Ventilkörper 3 und
im Haltekörper 5 verlaufenden
Zulaufkanal 25 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden.
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Zur
Steuerung der Längsbewegung
der Ventilnadel 12 ist an ihrer ventilsitzabgewandten Seite
im Ventilkörper 3 ein
Steuerraum 17 ausgebildet, der einerseits von der Bohrung 3 und
andererseits von der ventilsitzabgewandten Stirnseite der Ventilnadel 12 begrenzt
wird. Der Ventilnadel 12 abgewandt wird der Steuerraum 17 vom
Haltekörper 5 begrenzt,
wobei im Haltekörper 5 wenigstens
eine Zulaufdrossel 19 ausgebildet ist, über die der Steuerraum 17 mit
Kraftstoff befüllt
werden kann. Darüber
hinaus befindet sich noch wenigstens eine Ablaufdrossel im Haltekörper 5, über die
der Steuerraum 17 entlastet werden kann.
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Zur
Einspritzung von Kraftstoff wird im Druckraum 20 stets
ein hoher Kraftstoffdruck aufrechterhalten, der dem Einspritzdruck
entspricht. Solange im Steuerraum 17 ein genügend hoher
Kraftstoffdruck vorhanden ist, wird die Ventilnadel 12 gegen
den Ventilsitz 16 gepresst und verschließt die Einspritzöffnungen 18.
Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Druck im Steuerraum 17 gemindert, und
die Ventilnadel 12 hebt vom Ventilsitz 16 ab und gibt
so die Einspritzöffnungen 18 frei.
Dadurch strömt Kraftstoff
aus dem Druckraum 20 zwischen der Ventildichtfläche 14 und
dem Ventilsitz 16 hindurch zu den Einspritzöffnungen 18 und
wird durch diese in den Brennraum eingespritzt. Durch anschließendes Erhöhen des
Kraftstoffdrucks im Steuerraum 17 fährt die Ventilnadel 12 zurück in ihre
Schließstellung
und die Einspritzung ist beendet.
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Die
axialen Kräfte
auf den Ventilkörper 3 wirken
in axialer Richtung auf die Ventilschulter 30, sodass es
im Übergangsbereich
zwischen der Ventilschulter 30 und dem zweiten zylindrischen
Abschnitt 203 zu Kerbspannungen kommt, die um so höher sind,
je scharfkantiger der Übergang
ausgebildet ist und je höher
das Anzugsmoment der Spannmutter ist. Um die Kerbspannungen zu minimieren,
ist am Übergang
der Ventilschulter 30 zum zweiten zylindrischen Abschnitt 203 ein
Hinterstich 35 ausgebildet, der den Ventilkörper 3 auf
seinem gesamten Umfang umgibt. In der 1 sind in
der linken und rechten Hälfte
jeweils zwei verschiedene Formen des Hinterstichs 35 angedeutet,
die in 2 und 3 nochmals näher dargestellt sind.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des mit II bezeichneten Ausschnitts von 1. Der Hinterstich 35 weist
einen tangentialen Übergang
zur Ventilschulter 30 auf, so dass sich der Hinterstich 35 im
Längsschnitt,
wie in 2 dargestellt, in einen Konkavbereich 40 und
einen sich daran anschließenden
Konvexbereich 42 unterteilen lässt. Damit ergibt sich bezüglich der
Längsachse 6 des
Ventilkörpers 3 ein
Hinterstich, der zu einer Minimierung der Spannungen im Bereich
des Hinterstichs 35 führt,
wenn über
die Spannmutter 7 eine axiale Kraft auf den Ventilkörper 3 ausgeübt wird.
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3 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des mit III bezeichneten Ausschnitts von 1. Die hier gezeigt
alternative Ausgestaltung des Hinterstichs 35 umgibt ebenso
wie der in 2 dargestellte Hinterstich 35 den
Ventilkörper 3 auf
seinem gesamten Umfang. Der in 3 gezeigte
Hinterstich 35 weist eine Hinterschneidung sowohl in Richtung
der Längsachse 6 des
Ventilkörpers 3 gesehen
als auch in Richtung der Ventilschulter 30 auf. Ausgehend
von der Ventilschulter 30 zeigt der Hinterstich 35 einen
ersten Konvexbereich 45, einen sich daran anschließenden Konkavbereich 46 und
einen sich daran wiederum anschließenden zweiten Konvexbereich 47 auf.
Je nach den wirkenden Spannkräften
durch die Spannmutter 7 und durch die Ausgestaltung der
Druckkammer 22 kann eine solche Form des Hinterstichs 35 günstiger
sein als der Hinterstich 35 nach 2, um die
Spannungen in diesem Bereich zu minimieren.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils, wobei
hier nur der Ventilkörper 3 gezeigt
ist. Der Aufbau des Ventilkörpers 3 ist
im wesentlichen identisch mit dem, der in 1 gezeigt
ist, wobei die Ventilnadel hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde.
Neben der Druckkammer 22, die durch eine radiale Erweiterung
der Bohrung 9 gebildet ist, ist hier im Bereich des zweiten
zylindrischen Abschnitts 203 eine Ringnut 50 an
der Innenseite der Bohrung 9 ausgebildet. Die Ringnut 50 ist
von der Druckkammer 22 beabstandet und bewirkt in diesem
Bereich eine größere elastische
Verformbarkeit. Dadurch werden die Kerbspannungen am Übergang
des ersten 103 zum zweiten zylindrischen Abschnitts 203 reduziert,
da der zweite zylindrische Abschnitt durch elastische Verformung
einen Teil der Spannung in diesem Bereich abbaut.
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In
der rechten Hälfte
der 4 ist am Übergang
vom ersten zylindrischen Abschnitt 103 zum zweiten zylindrischen
Abschnitt 203 ein im Querschnitt rechtwinkliger Übergang
vorgesehen. Es kann auch vorgesehen sein, wie in der linken Hälfte der 4 dargestellt,
zusätzlich
zur Ringnut 50 einen Hinterstich 35 vorzusehen,
wie er auch in den 1 bis 3 dargestellt
ist. Im Zusammenspiel mit dem Hinterstich 35 ergibt sich
durch die innere Ringnut 50 eine weitere, gezielte Schwächung der
Wand des Ventilkörpers 3 und
damit eine zusätzliche
Flexibilisierung des Ventilkörpers 3 in
diesem Bereich. Dies führt
zu einer weiteren Minimierung der Spannungen im Bereich des Hinterstichs 35 und
damit zu einer noch größeren Stabilität des Ventilkörpers 3,
so dass die Entstehung von Rissen durch die Spannkräfte der Spannmutter 7 weitgehend
ausgeschlossen ist. Für die
Wirkung der Ringnut 50 ist die richtige Positionierung
bezüglich
des Hinterstichs 35 wichtig. Das heißt, es muss der geeignete axiale
Abstand gefunden werden. Dies lässt
sich leicht durch Versuche oder durch Berechnungen, beispielsweise
mit der Methode der Finiten Elemente, erreichen. Ebenso wie beim
Hinterstich 35 sollte auch hier der Übergang von der Innenseite
der Bohrung 9 im Bereich des zweiten zylindrischen Abschnitts
zur Ringnut 50 gerundet ausgebildet sein, um die Kerbspannungen
in der Ringnut 50 nicht zu groß werden zu lassen.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
wobei nur die rechte Hälfte
des Ventilkörpers 3 dargestellt
ist. Im zweiten zylindrischen Abschnitt 203 ist hier ebenfalls
eine Ringnut 50' ausgebildet,
jedoch an der Außenseite
des Ventilkörpers 3.
Die Wirkung bezüglich
der Spannungserniedrigung ist vergleichbar mit denen bei einer an
der Innenseite des Ventilkörpers 3 ausgebildeten
Ringnut 50, jedoch ist die außenliegende Ringnut 50' leichter zu
fertigen als eine Ringnut 50 an der schwer zugänglichen
Innenseite des Ventilkörpers 3.
Auch die außenliegende Ringnut 50' lässt sich
mit einem Hinterstich 35 kombinieren, der in 5 gestrichelt
eingezeichnet ist. Hierbei überlagern
und verstärken
sich die Effekte des Hinterstichs 35 und der Ringnut 50'.
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Die
Tiefe des Hinterstichs 35 wird je nach Anforderung an die
Spannungsreduzierung bestimmt und liegt im Bereich von vorzugsweise
0,1 bis 1 mm, wobei sich ein Bereich von 0,4 bis 0,6 mm als besonders
vorteilhaft erwiesen hat.