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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zur
Einbringung von Kraftstoff in direkteinspritzende, selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen
werden derzeit vermehrt hubgesteuerte Hochdruckspeicher-Einspritzsysteme
(Common-Rail-Systeme) eingesetzt. Durch das hubgesteuerte Hochdruckspeicher-Einspritzsystem
lässt sich
der Einspritzdruck an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
anpassen.
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Üblicherweise
werden in den hubgesteuerten Hochdruckspeicher-Einspritzsystemen
Kraftstoffinjektoren eingesetzt, die mit 2/2-Steuerventilen betrieben
werden. Durch das 2/2-Steuerventil wird ein Steuerraum mit einem
Kraftstoffzulauf, durch den unter Systemdruck stehender Kraftstoff
zugeführt wird,
oder mit einem Kraftstoffrücklauf
in den Niederdruckbereich verbunden. Hierdurch lässt sich der Druck im Steuerraum
auf Systemdruck oder auf Rücklaufdruck
einstellen. Der im Steuerraum herrschende Druck wirkt auf einen
Steuerkolben, der wiederum mit einem Einspritzventilglied verbunden
ist. Bei hohem Druck im Steuerraum wird so das Einspritzventilglied
in seinen Sitz gestellt und die Einspritzöffnungen sind verschlossen.
Bei niedrigem Druck im Steuerraum hebt sich das Einspritzventilglied
aus seinem Sitz und Kraftstoff wird in die Verbrennungskraftmaschine
eingespritzt.
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Um
die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren und hohe
spezifische Leistungen zu erzielen, ist es notwendig, den Kraftstoff mit
immer höherem
Einspritzdruck in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen. Durch
den immer höheren
geforderten Einspritzdruck verändern
sich auch die Anforderungen an das 2/2-Steuerventil. Bei derzeit eingesetzten
Steuerventilen wird die Verbindung vom Steuerraum in den Kraftstoffrücklauf durch
ein kugelförmiges
Schließelement
verschlossen. Dieses wird gegen den Druck im Steuerraum über ein
Druckstück,
einen Ankerbolzen und eine Feder in seinen Sitz gestellt. Um das Steuerventil
zu öffnen
wird der Ankerbolzen mit Hilfe eines Magnetkreises gegen die Federkraft
angehoben. Da bei steigendem Einspritzdruck eine größere Federkraft
erforderlich ist, um das Steuerventil zu schließen, muss auch zum Öffnen des
Steuerventil eine größere Magnetkraft
aufgebracht werden. Bei Einspritzdrücken von mehr als 1800 bar
ist dieses aus dem Stand der Technik bekannte Prinzip jedoch nur
unter schwierigen Bedingen aufrechtzuerhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Bei
einem erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem Injektorgehäuse,
in dem ein Einspritzventilglied, welches mindestens eine Einspritzöffnung freigibt oder
verschließt, über ein
Steuerventil angesteuert wird, umfasst das Steuerventil einen Ventilstößel, mit dem
eine Verbindung aus einem Steuerraum in einen Kraftstoffrücklauf freigebbar
oder verschließbar
ist. In dem Ventilstößel ist
eine Bohrung ausgebildet, in der ein Führungsstift aufgenommen ist,
der mit der Wandung der Bohrung im Ventilstößel einen Ventilraum, der hydraulisch
mit dem Steuerraum verbunden ist, umschließt, wobei der Führungsstift
durch den im Ventilraum herrschenden Druck gegen eine Anlagefläche gepresst
wird, wodurch der Ventilstößel ausgerichtet
wird.
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Bei
Steuerventilen für
Kraftstoffinjektoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
sind, wird der Ventilstößel oder
der Anker des Magnetventils über
fest mit dem Kraftstoffinjektor verbundene Führungsbauteile geführt. Dabei
ist es erforderlich, die Ankerführung
in die Magnetaufnahme zu integrieren, was zu einem kompliziert aufgebauten
und teuren Bauteil führt.
Vorteil des erfindungsgemäßen Injektors
gegenüber
diesem aus dem Stand der Technik bekannten Injektor ist, dass der
Führungsstift
aufgrund des hohen Einspritzdruckes mit einer großen Kraft
aus dem Ventilraum gegen eine Anschlagfläche gedrückt wird. Diese Kraft kann
als Anpresskraft für den
Führungsstift
genutzt werden. Der Führungsstift wird
so an seiner Position gehalten. Damit über den Führungsstift der Ventilstößel ausgerichtet
wird, ist der Führungsstift
bei einem Flachsitz vorzugsweise über der Anlagefläche rechtwinklig
ausgerichtet. Bei einem Kugelsitz ist es demgegenüber bevorzugt, wenn
der Führungsstift
radial verschiebbar ist in eine Position, in der der Ventilstößel zum
Sitz ausgerichtet ist. Somit ist es nicht erforderlich, den Führungsstift und
den Magnethalter aus einem Bauteil zu fertigen. Durch die Zweiteilung
von Magnethalter und Führungs stift
entstehen einfache, leicht zu fertigende Bauteile. Der Herstellungsaufwand
wird somit reduziert.
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In
einer ersten Ausführungsform
wird der Führungsstift
durch den im Ventilraum herrschenden Druck gegen das Injektorgehäuse gestellt
und dadurch an seiner Position gehalten. Alternativ ist es jedoch
auch möglich,
dass zwischen dem Führungsstift
und dem Injektorgehäuse
mindestens ein weiteres Bauteil aufgenommen ist, wobei der Führungsstift gegen
das weitere Bauteil gestellt wird. Das weitere Bauteil wird zum
Beispiel durch diese Druckkraft und ggf. eine Federkraft gegen das
Injektorgehäuse
gestellt. Das weitere Bauteil kann jedoch auch einstückig mit
dem Injektorgehäuse
ausgebildet sein und zum Beispiel einen Teil der Magnetbaugruppe
bilden.
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Wenn
der Führungsstift
durch den im Ventilraum herrschenden Druck gegen das Injektorgehäuse gestellt
und dadurch an seiner Position gehalten wird, ist es bevorzugt,
dass am Führungsstift
eine Erweiterung ausgebildet ist, die mit einer Seite gegen das
Injektorgehäuse
gestellt wird und auf deren andere Seite ein als Druckfeder ausgeführtes Federelement
wirkt, das zwischen der Erweiterung und dem Ventilstößel aufgenommen
ist. Vorteil des Federelementes, welches zwischen der Erweiterung
am Führungsstift
und dem Ventilstößel aufgenommen
ist, ist, dass durch die Federkraft, die von dem Federelement ausgeübt wird
und die auf die Erweiterung am Führungsstift
wirkt, der Führungsstift
mit der Erweiterung gegen das Injektorgehäuse gedrückt wird. Hierdurch ist die
Kraft, mit der der Führungsstift
gegen das Injektorgehäuse
gestellt wird, auch dann groß genug,
um den Führungsstift
an seiner Position zu halten, wenn der Druck im Ventilraum auf Rücklaufdruck
abfällt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Steuerventil magnetbetätigt
und am Ventilstößel ist
ein Anker des magnetbetätigten
Steuerventils ausgebildet. Dadurch, dass der Anker am Ventilstößel ausgebildet
ist, kann die Anzahl der benötigten Bauteile
reduziert werden. Zudem ist es möglich,
den Injektor kompakt zu bauen. Auch wird durch das Ausbilden des
Ankers am Ventilstößel die
Masse der bewegten Bauteile reduziert, so dass ein schnelleres Öffnen und
Schließen
des Steuerventils möglich wird.
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Bevorzugt
ist am Ventilstößel ein
ringförmiges
Schließelement
ausgebildet. Das ringförmige Schließelement
ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass der Durchmesser der
Bohrung im Ventilstößel und
der Innendurchmesser des ringförmigen Schließelementes
annähernd
gleich groß sind.
Durch die annähernd
gleich großen
Durchmesser ist der Ventilstößel druckausgeglichen.
Es ist somit nicht erforderlich, zum Schließen des Steuerventiles eine
zusätzliche
Kraft aufzubringen, die der Druckkraft im Ventilraum entgegenwirkt.
Die kleineren benötigten Kräfte führen dazu,
dass ein schnelleres Öffnen
und Schließen
des Steuerventils möglich
wird. Der Einspritzverlauf kann besser an die Betriebsbedingungen
der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
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Das
ringförmige
Schließelement
am Ventilstößel ist
zum Beispiel als Dichtfläche
ausgebildet, die in einen Ventilsitz gestellt werden kann. Durch
die Ausbildung des ringförmigen
Schließelementes
als Dichtfläche
wird die Schließbewegung
des Ventilstößels gedampft
und so der Verschleiß reduziert.
Der Ventilsitz, in welchen das ringförmige Schließelement gestellt
wird, um das Steuerventil zu schließen, ist zum Beispiel als Flachsitz,
Kegelsitz oder Kugelsitz ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist
das ringförmige
Schließelement
eine konisch ausgebildete Dichtfläche und der Ventilsitz als
Kugelfläche
ausgebildet. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass keine erhöhten Parallelitätsanforderungen
an die Anlagefläche
des Führungsstiftes
und den Ventilsitz gestellt werden. Die Kugelfläche des Ventilsitzes hat eine
Gelenkfunktion, wobei der Ausgleich eines möglichen Achsversatzes durch
radiale Verschiebung des Führungsstiftes
an seiner Anlagefläche
erfolgt. Zudem erlaubt der als Kugelfläche ausgebildete Ventilsitz
auch ein flüssigkeitsdichtes
Schließen
des Steuerventils bei einer Neigung des Ventilkolbens gegen die
Injektorachse.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
erfindungsgemäß ausgebildetes Steuerventil
in einer ersten Ausführungsform,
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2 ein
erfindungsgemäß ausgebildetes Steuerventil
in einer zweiten Ausführungsform,
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3 ein
erfindungsgemäß ausgebildetes Steuerventil
mit Kegel/Kugel-Sitz.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Steuerventil in einer ersten Ausführungsform.
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In
einem Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum
einer Verbrennungskraftmaschine wird ein Einspritzventilglied, welches
mindestens eine Einspritzöffnung
freigibt oder verschließt,
mittels eines Steuerventils 1 angesteuert. Das Steuerventil 1 wird
mit einem Aktor 3 betätigt.
In der hier dargestellten Ausführungsform
ist der Aktor 3 ein Magnetaktor. Dieser umfasst eine Spule 5,
die in einem Magnetkern 7 aufgenommen ist. Alternativ ist
es auch möglich,
anstelle eines Magnetaktors einen anderen Aktor, zum Beispiel einen
Piezoaktor, zu verwenden.
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Das
Steuerventil 1 umfasst weiterhin einen Ventilstößel 9,
der in der hier dargestellten Ausführungsform ein ringförmiges Schließelement 11 umfasst.
Um das Steuerventil 1 zu schließen wird das ringförmige Schließelement 11 in
einen Ventilsitz 13 gestellt. In der hier dargestellten
Ausführungsform
ist der Ventilsitz 13 ein Flachsitz.
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Im
Ventilstößel 9 ist
eine Bohrung 15 ausgebildet. In der Bohrung 15 ist
ein Führungsstift 17 aufgenommen.
Die Bohrung 15 fungiert dabei gleichzeitig als Führung für den Ventilstößel 9.
Der Ventilstößel 9 wird
am Führungsstift 17 geführt. Durch
die Führung
des Ventilstößels 9 am
Führungsstift 17 wird vermieden,
dass der Ventilstößel 9 radial
zur Injektorachse 19 verschoben wird oder verkantet. Am
Führungsstift 17 ist
eine Erweiterung 21 ausgebildet, die mit einer Fläche 23 an
einem oberen Gehäuseteil 25 des
Injektors anliegt. Am Führungsstift 17 ist
weiterhin eine Stufe 27 ausgebildet, die als Hubbegrenzer für den Ventilstößel 9 wirkt.
Durch Anschlagen an die Stufe 27 wird die Bewegung des
Ventilstößels 9 beendet.
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Der
Führungsstift 17 und
die Bohrung 15 umschließen einen Ventilraum 29.
An den Ventilraum 29 schließt sich ein Kanal 31 an,
welcher in einem hier nicht dargestellten Steuerraum mündet. Im
Kanal 31 ist ein Drosselelement 33 ausgebildet.
Durch das Drosselelement 33 wird eine gegendruckunabhängige Durchströmung gewährleistet.
Dies sorgt auch für einen
gegendruckabhängigen
Steuerraumdruck.
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Um
den aufgrund des hohen Kraftstoffdruckes im Ventilraum gegebenenfalls
auftretenden Leckagestrom zwischen der Bohrung 15 und dem
Führungsstift 17 gering
zu halten, werden die Bohrung 15 und die Oberfläche des
Führungsstiftes 17 so
zueinander gepasst, dass die Bohrung 15 und die Oberfläche des
Führungsstiftes 17 als
Dichtfläche
wirken.
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Damit
der Ventilstößel 9 durch
den Aktor 3 bewegt werden kann, ist am Ventilstößel 9 in
der hier dargestellten Ausführungsform
ein Anker 35 ausgebildet. Der Hub des Ventilstößels 9 wird
durch einen Einstellring 37, der zwischen dem oberen Gehäuseteil 25 und
ei fern mittleren Gehäuseteil 39 aufgenommen
ist, eingestellt. Die Einstellung des Hubes erfolgt dabei über die
Höhe h
des Einstellrings 37.
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Das
obere Gehäuseteil 25 und
das mittlere Gehäuseteil 39 werden
durch eine Spannhülse 41 miteinander
verbunden. Hierzu liegt die Spannhülse 41 auf einer Schulter 43 am
oberen Gehäuseteil 25 auf
und wird mit einem Gewinde 45 am mittleren Gehäuseteil
verschraubt. Damit entlang der Verbindung von oberem Gehäuseteil 25 und
mittlerem Gehäuseteil 39 kein
Kraftstoff am Injektor austreten kann, ist zwischen dem oberen Gehäuseteil 25 und
dem mittleren Gehäuseteil 39 ein
Dichtring 47 aufgenommen.
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Der
Führungsstift 17 ist
von einem Federelement 49 umschlossen. Das Federelement 49 ist
vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder. Das Federelement 49 stützt sich
mit einer Seite am Ventilstößel 9 und
mit der anderen Seite an der Erweiterung 21 des Führungsstiftes 17 ab.
Um die Federkraft des Federelementes 49 einzustellen, ist es
möglich,
zwischen dem Federelement und der Erweiterung 21 eine Einstellscheibe 51 zu
positionieren. Durch die Höhe
der Einstellscheibe 51 wird die Vorspannung des Federelementes 49 eingestellt.
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Durch
die Federkraft des Federelementes 49, die über die
Einstellscheibe 51 auf die Erweiterung 21 am Führungsstift 17 wirkt,
wird der Führungsstift 17 gegen
das obere Gehäuseteil 25 gedrückt. Zusätzlich wirkt
auf den Führungsstift 17 eine
Druckkraft im Ventilraum 29. Die Druckkraft ist dabei abhängig vom
Druck des Kraftstoffes, der im Ventilraum 29 herrscht.
Bei geschlossenem Steuerventil 1 herrscht im Ventilraum 29 Systemdruck.
Bei geöffnetem
Steuerventil 1 fällt
der Druck im Ventilraum ab, da der Kraftstoff dann in den Niederdruckbereich
des Einspritzsystems strömt.
Somit nimmt bei geöffnetem Steuerventil 1 auch
die Druckkraft auf den Führungsstift 17 ab.
Da jedoch auch bei geöffnetem
Steuerventil 1 weiterhin die Federkraft des Federelementes 49 auf
den Führungsstift 17 wirkt,
wird dieser in Anlage an der Fläche 23 gehalten,
wodurch der Ventilstößel 9 zum
Ventilsitz 13 ausgerichtet wird.
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Um
einen Einspritzvorgang zu starten, wird die Spule 5 bestromt.
Hierdurch bildet sich ein Magnetfeld um die Spule aus, durch welches
der Anker 35 angezogen wird. Der Ventilstößel 9 mit
dem daran ausgebildeten Anker hebt sich mit dem ringförmigen Schließelement 11 aus
dem Ventilsitz 13. Eine Verbindung aus dem Ventilraum 29 in
den Kraftstoffrücklauf
ist freigegeben. Der Druck im Ventilraum 29 sinkt. Aufgrund
des abnehmenden Druckes im Ventilraum 29 strömt Kraftstoff über den
Kanal 31 mit dem Drosselelement 33 aus dem hier
nicht dargestellten Steuerraum. Der Druck im Steuerraum nimmt ebenfalls
ab. Durch den abnehmenden Druck im Steuerraum wird der Steuerkolben
in Richtung des Steuerraumes bewegt. Das Einspritzventilglied hebt
sich aus seinem Sitz und gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung frei.
Kraftstoff wird in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Während das
Steuerventil 5 geöffnet
ist und so Kraftstoff aus dem Steuerraum 29 in den Niederdruckbereich
strömen
kann, wodurch der Druck im Ventilraum 29 absinkt, nimmt
auch die auf den Führungsstift 17 wirkende
Druckkraft ab. Da jedoch das Federelement 49 eine Federkraft
auf die Erweiterung 21 ausübt wird der Führungsstift 17 weiterhin
gegen das obere Gehäuseteil 25 gedrückt und
so an seiner Position gehalten. Zudem sinkt auch der Druck im Ventilraum 29 nicht
auf den Druck im Niederdruckbereich ab, da der hier nicht dargestellte
Steuerraum mit dem Kraftstoffzulauf verbunden ist und so kontinuierlich
unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den Steuerraum nachfließt, der
dann über
den Kanal 31 und das Drosselelement 33 in den
Ventilraum 29 strömt.
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Um
den Einspritzvorgang zu beenden wird die Bestromung der Spule 5 beendet.
Der Ventilstößel 9 wird
mit Hilfe der Federkraft des Federelementes 49 mit seinem
ringförmigen
Schließelement 11 in den
Ventilsitz 13 gestellt. Die Verbindung vom Ventilraum 29 in
den Niederdruckbereich ist verschlossen. Der in den Steuerraum nachströmende Kraftstoff führt zu einer
Druckerhöhung
im Steuerraum und damit auch im Ventilraum 29, der über den
Kanal 31 und das Drosselelement 33 hydraulisch
mit dem Steuerraum verbunden ist. Auf den Führungsstift 17 wirkt wieder
die Druckkraft des unter Systemdruck stehenden Kraftstoffes. Gleichzeitig
wird durch den höheren Druck
im Steuerraum der Steuerkolben in Richtung des Einspritzventilgliedes
bewegt und das Einspritzventilglied so in seinen Sitz gestellt,
um die mindestens eine Einspritzöffnung
zu verschließen.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Steuerventil in einer zweiten Ausführungsform.
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Das
in 2 dargestellte Steuerventil unterscheidet sich
von dem in 1 dargestellten Steuerventil
durch die Ausbildung des Führungsstiftes 17.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform
ist zwischen dem Führungsstift 17 und
dem oberen Gehäuseteil 25 ein
weiteres Bauteil 53 aufgenommen. Am weiteren Bauteil 53 ist
die Erweiterung 21 ausgebildet, gegen welche sich das Federelement 49 abstützt. Der
Führungsstift 17 wird
mit einer Stirnfläche 55 gegen
das weitere Bauteil 53 gestellt. Der Führungsstift 17 wird
durch die Druckkraft, die im Ventilraum 29 auf diesen wirkt,
an seiner Position gehalten. Gleichzeitig wird die auf den Führungsstift 17 wirkende
Druckkraft über
die Stirnfläche 55 an
das weitere Bauteil 53 übertragen.
Hierdurch wird das weitere Bau teil 53 mit der Erweiterung 21 gegen
das obere Gehäuseteil 25 gestellt.
Auf das weitere Bauteil 53 wirkt gleichzeitig auch die
Federkraft des Federelementes 49, welche dieses ebenfalls
gegen das obere Gehäuseteil 25 stellt.
Auf diese Weise wird das weitere Bauteil 53 an seiner Position
gehalten. Dadurch, dass der Druck im Ventilraum 29 auch
bei geöffnetem Steuerventil 1 aufgrund
des über
den Steuerraum und den Kanal 31 nachströmenden Kraftstoffes nicht auf
Umgebungsdruck absinkt, wird auch in der in 2 dargestellten
Ausführungsform
der Führungsstift 10 an
seiner Anlage am weiteren Bauteil 53 gehalten, wodurch
der Ventilstößel 9 zum
Ventilsitz 13 ausgerichtet wird. Alternativ ist es möglich, dass
das weitere Bauteil 53 einstückig mit dem oberen Gehäuseteil 25 ausgebildet
ist.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Steuerventil in einer dritten Ausführungsform.
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Das
in 3 dargestellte Steuerventil 1 unterscheidet
sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform
durch die Ausbildung des Ventilsitzes 13 und des ringförmigen Schließelementes 11.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform
ist das ringförmige
Schließelement 11 mit
einer konischen Dichtfläche
ausgeführt.
Der Ventilsitz 13 ist als Kugelfläche ausgeführt. Vorteil des kugelförmig ausgebildeten
Ventilsitzes 13 gegenüber
einem Flachsitz ist, dass der Ventilsitz 13, die Dichtfläche des
ringförmigen
Schließelementes 11 und
die Fläche 23 der
Erweiterung 21, die am oberen Gehäuseteil 25 anliegt, nicht
exakt parallel gefertigt werden müssen, um ein flüssigkeitsdichtes
Schließen
des Ventils 1 zu ermöglichen.
Durch die Gestaltung des Ventilsitzes 13 als Kugelfläche hat
dieser eine Gelenkfunktion. Ein flüssigkeitsdichtes Schließen wird
so auch gewährleistet, wenn
die konisch ausgebildete Dichtfläche
des ringförmigen
Schließelementes 11 nicht
exakt parallel ausgebildet ist. Ein möglicher Achsversatz des Führungsstiftes 17 wird
durch radiales Verschieben des Führungsstiftes 17 an
der Fläche 23 ausgeglichen.
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Neben
dem in 3 dargestellten kugelförmig ausgebildeten Ventilsitz
mit konisch ausgebildeter Dichtfläche am ringförmigen Schließelement 11 ist
es auch möglich,
dass der Ventilsitz 13 und das ringförmige Schließelement 11 als
Flachsitz ausgebildet sind. Alternativ ist es auch möglich, dass
der Ventilsitz 13 kegelförmig und das ringförmige Schließelement 11 mit
einer konischen Dichtfläche
versehen sind, wobei die Kegelwinkel des kegelförmigen Ventilsitzes 13 und
der konisch ausgebildeten Dichtfläche vorzugsweise eine Differenz
im Bereich von 1° bis
5° aufweisen,
so dass sich die Flächenpressung des
ringförmigen
Schließelementes 11 im
kegelförmig
ausgebildeten Ventilsitz 13 auf eine Linie konzentriert.
Weiterhin ist es jedoch auch möglich,
dass das ringförmige
Schließelement 11 und
der Ventilsitz 13 jede beliebige, dem Fachmann bekannte
und geeignete Geometrie einnehmen.