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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es für
die Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen,
vorzugsweise von selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet
wird.
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Stand der Technik
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Ein
Kraftstoffeinspritzventil der gattungsbildenden Art ist beispielsweise
aus der Offenlegungsschrift
DE 198 27 267 A1 bekannt. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
weist ein Gehäuse auf, in dem ein Steuerraum ausgebildet
ist, wobei die Kraftstoffeinspritzung abhängig vom Druck
im Steuerraum stattfindet. In diesem Fall geschieht dies dadurch,
dass eine Kolbenstange den Steuerraum begrenzt und die Kolbenstange
direkt auf eine Ventilnadel wirkt, die wiederum Einspritzöffnungen
verschließt oder freigibt, durch die der Kraftstoff, der
dem Kraftstoffeinspritzventil unter hohem Druck zugeführt
wird, ausgespritzt wird. Der Steuerraum befindet sich in einem Ventilstück,
das wiederum in einem Hohlraum des Gehäuses angeordnet
ist und das den Steuerraum radial nach außen begrenzt.
Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird dem Steuerraum über
einen Hochdruckkanal zugeführt, der in einen Ringraum mündet,
welcher zwischen dem Ventilstück und der Wand des Hohlraums
ausgebildet ist. Von diesem Ringraum führen eine oder mehrere
Drosselbohrungen in den Steuerraum und verbinden den Steuerraum
mit dem hohen Kraftstoffdruck im Ringraum.
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Um
den im Ringraum anstehenden hohen Kraftstoffdruck gegen das übrige
Kraftstoffeinspritzventil abzudichten, ist auf der Seite, die der
Ventilnadel zugewandt ist, ein Dichtring zwischen dem Ventilstück
und der Wand des Hohlraums vorgesehen, so dass der hohe Kraftstoffdruck
im Ringraum vom Niederdruckbe reich des Kraftstoffeinspritzventils
getrennt bleibt. Der Dichtring ist dabei hohen mechanischen Belastungen
durch den hohen Kraftstoffdruck im Ringraum ausgesetzt. Dies hat
zur Folge, dass ein Dichtring, der beispielsweise aus Kautschuk
oder einem ähnlichen Dichtmaterial gefertigt ist, durch
den Spalt, der der Ventilnadel zugewandt zwischen der Wand des Hohlraums
und dem Ventilstück verbleibt, gleichsam extrudiert wird
und seine Dichtfunktion nicht mehr erfüllen kann. Als Folge
führt dies zu einer übergroßen Leckagemenge
des Kraftstoffeinspritzventils und damit schließlich zu
einem Ausfall des Motors.
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Zur
Vermeidung dieses Problems ist es aus der Offenlegungsschrift
DE 100 20 870 A1 bekannt, einen
Stützring aus Metall zu verwenden, der den eigentlichen
Dichtring stützt und dadurch ein Extrudieren in den Spalt
verhindert. Dies kann jedoch zu weiteren Problemen dadurch führen,
dass der Kraftstoffdruck, der im Ringraum ansteht, in den Raum zwischen
dem Stützring und dem Dichtring gelangt. Durch die auftretenden
Druckoszillationen im Ringraum kann der Dichtring in Richtung des
Steuerraums verschoben werden und schließlich die Drosselbohrungen
verschließen, die den Steuerraum mit dem Ringraum verbinden.
Dies führt ebenfalls zu einem Ausfall des Kraftstoffeinspritzventils.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil zur
Kraftstoffeinspritzung weist demgegenüber den Vorteil auf,
dass eine Abdichtung des Ringraums gegen den Niederdruckbereich
des Kraftstoffeinspritzventils auf der der Ventilnadel zugewanden
Seite des Ringraums stets zuverlässig erfolgt. Hierzu ist ein
Dichtring vorgesehen, der aus Polyetheretherketon (PEEK) besteht,
einem thermoplastischen Polymer. PEEK weist alle für eine
gute Hochdruckabdichtung von Kraftstoff erforderlichen Eigenschaften
auf: PEEK weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und
wird durch den Kraftstoff nicht angegriffen. Darüber hinaus
besitzt PEEK, obwohl bei Normalbedingungen elastisch, die Eigenschaft,
durch den hohen Druck von bis zu 2000 bar, wie er im Kraftstoffeinspritzventil
herrscht, versteift zu werden, so dass das Extrudieren in den Spalt
zwischen dem Ventilstück und der Wand des Hohlraums ausgeschlossen
ist. Da der Dichtring nur einteilig ausgeführt ist, kann
sich unterhalb des Dichtrings kein Druckpolster aufbauen, das den
Dichtring in Richtung des Steuerraums verschiebt, wie dies bei der
zweiteiligen Lösung der Fall ist.
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Der
Dichtring kann je nach den gegebenen Erfordernissen unterschiedliche
Querschnittsformen aufweisen. Als besonders vorteilhaft hat sich
eine Form erwiesen, die einen im wesentlichen rechteckförmigen
Querschnitt des Dichtrings vorsieht, wobei die außen liegenden
Kanten abgeschrägt sind. Andere Formen können
jedoch abhängig von den gegebenen Geometrien ebenfalls
von Vorteil sein, beispielsweise eine kreisrunde oder elliptische
Querschnittsform oder eine rechteckige.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das PEEK mit Glasfasern
oder Kohlenstofffasern verstärkt. Hierbei kommt eine Verstärkung
entweder mit Langfasern, die beispielsweise in Umfangsrichtung um
den gesamten Dichtring verlaufen, oder auch durch Kurzfasern in
Frage, wobei die Kurzfasern nur eine kurze Länge im Vergleich
zum Durchmesser des Dichtrings aufweisen und unregelmäßig innerhalb
des Kunststoffs angeordnet sind.
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Da
der Dichtring sehr exakte Abmessungen aufweisen muss, die einen
genau definierten Spalt sowohl zur Wand des Hohlraums als auch zum
Ventilstück aufweist, ist die Herstellung mit einem erfindungsgemäßen
Verfahren besonders vorteilhaft, bei dem der Dichtring aus einem
massiven PEEK-Block oder aus PEEK-Halbzeug durch Drehen hergestellt wird.
Durch diesen Drehprozess wird eine exakte Rotationssymmetrie erzeugt
und entsprechend glatte Oberflächen, die für die
Funktion des Dichtrings unerlässlich sind.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt. Es zeigt die 1 einen
Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
wobei nur der wesentliche Teil gezeigt ist, 2 zeigt
eine Vergrößerung von 1 im Bereich
des Dichtrings, 3a zeigt eine perspektivische
Darstellung des Dichtrings, wobei dessen Querschnitt in 3b dargestellt
ist. Die 3c, 3d und 3e zeigen
jeweils verschiedene Ausführungsbeispiele des Dichtrings
mit unterschiedlichen Querschnitten.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In
1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt dargestellt, wobei nur der brennraumabgewandte
Teil des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt ist. Der übrige
Teil, der beispielsweise aus der
DE 198 27 267 A1 hinlänglich bekannt
ist, wurde der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil weist ein Gehäuse 1 auf,
das unter anderem einen Ventilkörper 4 umfasst.
Der Ventilkörper 4 ist über einen Anschlussstutzen 9 mit
einer Hochdruckquelle verbunden, beispielsweise einem sogenannten
Rail, das wiederum über eine Hochdruckpumpe stets mit Kraftstoff
unter hohem Druck befällt wird. Der Kraftstoff wird am
Anschlussstutzen 9 durch die Anschlussöffnung 3 eingefüllt
und passiert einen Filter 42, wobei die Abdichtung des
Anschlussstutzens 9, der in den Ventilkörper 4 eingeschraubt
ist, durch eine Dichtung 41 erreicht wird. Innerhalb des
Ventilkörpers 4 verläuft ein Hochdruckkanal 8,
durch den der Kraftstoff, der über den Anschlussstutzen 9 eingefüllt
wird, zur Einspritzdüse geleitet wird und von dort letztendlich
in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Innerhalb
des Ventilkörpers 4 ist ein Hohlraum 5 ausgebildet,
der sich über die gesamte Länge des Ventilkörpers 4 erstreckt.
In dem in der Abbildung oberen Teil des Hohlraums 5 ist
ein Ventilstück 12 angeordnet, das im Wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wobei zwischen der Wand des
Hohlraums 5 und dem Ventilstück 12 ein
Ringraum 20 verbleibt, in den eine Abzweigung des Hochdruckkanals 8 mündet,
die in direkter Verlängerung des Anschlussstutzens 9 ausgebildet
ist. Vom Ringraum 20 gehen eine oder mehrere Drosselbohrungen
in einen Steuerraum 14 ab, welcher durch das Ventilstück 12 radial
nach außen begrenzt wird. Innerhalb des Ventilstücks 12 wird
eine Kolbenstange 6 radial geführt, die längsverschiebbar
im Hohlraum 5 angeordnet ist und die mit ihrem dem Steuerraum
abgewandten Ende auf einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ventilnadel
aufliegt, die die Einspritzöffnungen des Kraftstoffeinspritzventils öffnet
und schließt.
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Im
Ventilstück 12 ist eine Ablaufbohrung 17 ausgebildet,
die zentral in Längsrichtung ausgebildet ist und die an
ihrem steuerraumabgewandten Ende in eine Ablaufdrossel 18 übergeht,
so dass eine hydraulische Verbindung vom Steuerraum 14 zu
einem Leckölraum 19 hergestellt wird, wobei der
Leckölraum 19 über den Leckölkanal 10 mit
einem Rücklaufsystem verbunden ist und stets auf niedrigem Druck,
d. h. im Wesentlichen auf Umgebungsdruck, gehalten wird. Zum Öffnen
und Schließen der Ablaufdrossel 18 ist ein Steuerventil 30 vorgesehen,
das einen Magnetanker 27 umfasst, der durch einen Elektromagneten 21 entgegen
einer Schließfeder 31 in Längsrichtung
bewegt werden kann. Am steuerraumzugewandten Ende ist am Anker 27 eine
Dichtkugel 25 angeordnet, die in Schließstellung
des Steuerventils 30 auf einen Dichtsitz 24 am
Ventilstück 12 aufsitzt und so die Ablaufdrossel 18 verschließt.
Soll die Ablaufdrossel 18 geöffnet werden, wird
der Elektromagnet 21 bestromt und zieht den Magnetanker 27 vom
Dichtsitz 24 weg, so dass die Ablaufdrossel 18 die
Verbindung zwischen dem Steuerraum 14 und dem Leckölraum 19 freigibt.
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In 2 ist
der Bereich des Dichtrings 40 nochmals vergrößert
dargestellt. Der Ringraum 20 wird dem Steuerraum 14 abgewandt
durch einen Dichtring 40 gegen den Spalt 15 abgedichtet,
der zwischen dem Ventilstück 12 und der Wand des
Hohlraums 5 ausgebildet ist. Der Spalt 15 ist
hierbei über einen Ablaufkanal 16, der innerhalb
des Ventilkörpers 3 verläuft und in 1 dargestellt
ist, mit dem Leckölraum 19 verbunden und damit
im Wesentlichen auf Umgebungsdruck. Im Ringraum 20 herrscht hingegen
der Kraftstoffhochdruck, der über den Anschlussstutzen 9 in
das Kraftstoffeinspritzventil eingeleitet wird. Dieser Druck kann
je nach Anwendung momentan bis zu 2000 bar betragen, so dass der Dichtring 40 hohen
mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Hierbei muss der Dichtring 40 einerseits mechanisch
ausreichend stabil sein, um nicht in den Spalt 15 extrudiert
zu werden und andererseits genug Flexibilität aufweisen,
um den Ringraum 20 ausreichend gegen den Spalt 15 abzudichten.
Um dies zu erreichen ist der Dichtring 40 aus Polyetheretherketon
(PEEK) ausgebildet, wobei darauf geachtet werden muss, dass der
Dichtring 40 einerseits nicht zu eng auf dem Ventilstück 12 aufsitzt
und andererseits kein zu großer Spalt zwischen dem Dichtring 40 und
dem Ventilstück 12 einerseits und dem Dichtring 40 und
der Wand des Hohlraums 5 andererseits auftritt. Durch die
Verwendung eines richtig dimensionierten Dichtrings aus PEEK ist
dies sichergestellt: PEEK ist einerseits flexibel genug um eine
Dichtung zu erreichen, andererseits wird PEEK unter hohem Druck
verfestigt, so dass ein Extrudieren in den Spalt 15 ausgeschlossen
ist.
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In 3a ist
der Dichtring 40 nochmal perspektivisch dargestellt und 3b zeigt
den dazugehörigen Querschnitt durch den Dichtring 40.
Der Querschnitt des Dichtrings 40 ist im Wesentlichen rechteckförmig,
wobei die außen liegenden Kanten angeschrägt sind.
Diese Form hat sich als besonders vorteilhaft zur Abdichtung in
dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil
erwiesen. Es sind jedoch auch andere Querschnitte denkbar, beispielsweise ein
Achteckförmiger Querschnitt, wie in 3c dargestellt,
ein im Wesentlichen halbkreisförmiger Querschnitt, wie
in 3d gezeigt, oder ein runder bzw. elliptischer
Querschnitt, wie in 3e dargestellt.
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Das
verwendete PEEK des Dichtrings 40 kann auch durch Fasern
verstärkt sein, insbesondere durch Glas- oder Kohlenstofffasern.
Hierbei kommt eine Verstärkung entweder durch Langfasern
in Frage, die vorzugsweise in Umfangsrichtung des Dichtrings 40 verlaufen,
oder auch durch Kurzfasern, deren Länge klein im Vergleich
zum Durchmesser des Dichtrings 40 ist. Die Kurzfasern sind
hierbei ungerichtet im PEEK angeordnet und sorgen für eine
höhere Stabilität des Dichtrings 40.
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Eine
weitere Möglichkeit, das PEEK des Dichtrings 40 zu
verstärken, ist die Zugabe von PTFE-Pulver (Polytetrafluorethylen)
oder Graphit-Pulver in das PEEK-Material. Hierdurch kann eine weitere
Verfestigung des PEEK erreicht werden, wobei sich auch die Oberflächeneigenschaften
und die Bearbeitbarkeit positiv beeinflussen lassen.
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Der
Dichtring 40 muss exakte Abmessungen aufweisen, um die
gewünschten Eigenschaften zu erfüllen. Dies macht
das Herstellen durch das kostengünstige Spritzgießen
technisch schwer beherrschbar. Um entsprechend präzise
Dichtringe erzeugen zu können, wird der Dichtring 40 in
einem vorteilhaften Verfahren durch Drehen entweder aus einem massiven
PEEK-Block oder aus PEEK-Halbzeug, etwa einem Rohr, hergestellt.
Dadurch lassen sich die entsprechend exakten Abmessungen bei einer guten
Oberflächengüte des Dichtrings 40 erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19827267
A1 [0002, 0010]
- - DE 10020870 A1 [0004]