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Stand der Technik
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Aus
DE 103 35 340 A1 ist
ein Kraftstoffinjektor mit integriertem Druckverstärker
bekannt. Der Druckverstärker weist einen in einem Gehäuse
des Kraftstoffinjektors geführten Druckübersetzerkolben auf,
der einem Kompressionsraum, einem Differenzdruckraum und einem Hochdruckraum
ausgesetzt ist. Mit einem ersten Steuerventil wird ein rückwärtiger
Steuerraum eines nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes
angesteuert und das Steuervolumen in ein Niederdruckrücklaufsystem
abgeleitet. Ein zweites Steuerventil verbindet den Differenzdruckraum
des Druckverstärkers ebenfalls mit dem Niederdruck-Rücklaufsystem.
Durch die Druckänderung im Differenzdruckraum drückt
der Druckübersetzerkolben in den Kompressionsraum und komprimiert
dort den Kraftstoff, der an einer Druckschulter des nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes übertragen wird. Der
an der Druckschulter wirkende übersetzte Hochdruck hebt
das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied vom Nadelsitz
ab, so dass der Kraftstoff mit dem über den Systemdruck
erhöhten Kraftstoffdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt wird. Das zweite Steuerventil, das den Differenzdruckraum
des Druckverstärkers ansteuert, ist dabei ein 3/2-Wege-Ventil
mit einem Flachsitz bzw. einem Schiebersitz. Da die über den
Flachsitz in das Niederdruckrücklaufsystem aus dem Differenzdruckraum
des Druckverstärkers abgeleitete Steuermenge unterschiedliche
Druckniveaus aufweist und mit starken Druckstößen
beaufschlagt ist, tritt insbesondere im Bereich des Flachsitzes
Kavitationserosion auf. Dies hat zur Folge, dass der Ventilsitz
mit der Zeit undicht wird und dadurch die Injektorfunktion nicht
unerheblich beeinträchtigt wird.
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Ein
Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor mit einem Ventilsitz,
der durch eine an einem Ventilkolben ausgebildete konische Fläche
gebildet ist, ist aus
DE
199 40 300 A1 bekannt. Dabei weist der Ventilkolben mit
der konischen Ventilsitzfläche in eine mit Hochdruck beaufschlagte
Ventilkammer.
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Aus
DE 10 2007 018 040.5 ist
ein Kraftstoffinjektor mit integriertem Druckverstärker
bekannt, der ein Gehäuse umfasst, in dem ein Einspritzventilglied
mit einer Düsennadel, eine Druckverstärkungseinrichtung
sowie mindestens ein Steuerventil angeordnet sind. Das Steuerventil
steuert einen Differenzdruckraum der Druckverstärkungseinrichtung
an. Das Steuerventil weist einen ersten Ventilsitz und einen zweiten
Ventilsitz auf. Mittels des ersten Ventilsitzes wird ein mit Systemdruck
beaufschlagter Hochdruckraum von einer mit dem Differenzdruckraum verbundenen
Ventilkammer getrennt. Mittels des zweiten Ventilsitzes ist die
Ventilkammer von einem an ein Niederdruckrücklaufsystem
angeschlossenen Niederdruckraum abtrennbar. Der zweite Ventilsitz
ist von einer am Ventilkolben ausgebildeten konischen Dichtfläche
gebildet, die vom Niederdruckraum aus gegen einen gehäuseseitigen
Ventilkolbensitz drückt. Durch diese Lösung wird
das Auftreten von Kavitationserosion an den die Steuermenge des
Druckverstärkers schaltenden Ventilsitz weitestgehend unterbunden.
Aufgrund des in den Niederdruckraum hineinöffnenden Ventilsitzes
ergibt sich eine Drosselwirkung, die sich mit zunehmender Öffnungsbewegung des
Ventilkolbens verringert. Diese Drosselwirkung wirkt auf die Strömungsverhältnisse
im Bereich des Ventilsitzes ein, so dass dort bisher auftretende
Kavitationserscheinungen wirksam verhindert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleiß-
und spannungsoptimierten Ventilsitz für einen Kraftstoffinjektor
bereitzustellen.
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Im
Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen,
wird bei einem nach außen öffnenden Ventil (A-Ventil)
der Ventilsitz derart modifiziert, dass sich ein verringerter Schlupf
zwischen der Ventilplatte und der Ventilstange einstellt und eine niedrigere,
jedoch gleichmäßigere Flächenpressung im
Kontaktbereich von Ventilstange und Ventilplatte erzeugt wird.
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Insbesondere
wird gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten
Ausführungsvarianten, bei denen ein im Wesentlichen ebener
Verlauf zwischen den Kontaktflächen von Ventilplatte und
Ventilstange im Bereich des Ventilsitzes ausgeführt wird, der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, beim optimierten Ventilsitz eine der beiden Kontaktflächen
eben und eine der beiden Kontaktflächen von Ventilplatte
und Ventilstange leicht konvex ausgebildet. Des Weiteren werden
beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen optimierten
Ventilsitz die Kanten (Position A bzw. Position B) gerundet ausgeführt.
In Bezug auf die Ventilplatte ist von Bedeutung, dass an der Kante
(Position A) der Radius möglichst klein sein sollte, um
an dem dort vorliegenden Durchmesser der Ventilplatte keine zusätzliche
Druckstufe zu erzeugen. Bevorzugt sollte die Verrundung an Position
A der Ventilplatte in einer Radius Rz von
3 μm ausgeführt werden. Während zum Beispiel
bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen optimierten
Ventilsitzgeometrie die Kontaktfläche der Ventilplatte
eben ausgebildet ist und den obenstehend erwähnten Radius
Rz∼3 μm aufweist, ist
die gegenüberliegende Kontaktfläche, d. h. diejenige
der Ventilstange, leicht konvex ausgebildet. Die leicht ballige
Ausführung in einer Konvexität von ca. 0,5 μm
führt dazu, dass zwischen den einander kontaktierenden
Flächen, von denen eine eben und eine leicht ballig ausgebildet
ist, ein Spalt verläuft, der sich von der Außenseite
her nach innen erstreckt. Es ergibt sich ein Kontaktpunkt zwischen
der leicht ballig ausgebildeten Kontaktfläche, z. B. der
Ventilstange, und der eben ausgebildeten Kontaktfläche
der Ventilplatte, der nahe am Durchmesser d, etwa 2,5 mm, liegt
(Position C). Der Sitzwinkel des erfindungsgemäß vorgeschlagenen verschleiß-
und spannungsoptimierten Ventilsitzes beträgt 160°.
Es können jedoch auch davon abweichende Winkelgeometrien
gewählt werden. Bei einer maximal auftretenden Kontaktkraft
stellt sich bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung ein Kontaktbereich ein, der ca. 40% bis 50% einer
Sitzlänge umfasst. Die Sitzlänge erstreckt sich
ausgehend vom Innendurchmesser nach außen, d. h. ausgehend vom
theoretischen Berührpunkt (Position C) nach außen
hin. Durch die Position des theoretischen Kontaktpunktes möglichst
nahe am Durchmesser d (der z. B. 2,5 mm betragen kann) verbleibt
ausgehend vom theoretischen Kontaktpunkt C eine ausreichend große
weitere nutzbare Sitzlänge, die die Dichtigkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
verschleiß- und spannungsoptimierten Ventilsitzes über
die Lebensdauer des als A-Ventil ausgebildeten Kraftstoffinjektors
im Betrieb sicherstellt. Der sich aufgrund des Zusammenspiels der
konvex ausgebildeten Fläche und der ebenen Kontaktfläche
einstellende, nach außen verlaufende Spalt stellt das Reservoir
an Sitzlänge für den sich im Betrieb des Kraftstoffinjektors einstellenden
Sitzangleich dar, so dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene
verschleiß- und spannungsoptimierte Ventilsitz auch nach
längerer Lebensdauer des Kraftstoffinjektors noch einwandfrei funktioniert,
d. h. abdichtet und keine Leckagen von Kraftstoff in den Brennraum
auftreten können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 einen
Schnitt durch einen Kraftstoffinjektor,
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2 eine
vergrößerte Darstellung des Hydraulikmoduls des
Kraftstoffinjektors gemäß der Darstellung in 1,
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3 eine
vergrößerte Darstellung eines Ventilsitzes zwischen
einer Ventilstange und einer Ventilplatte gemäß 2,
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4 in
nochmals vergrößerter Ansicht den Ventilsitz,
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5 einen
Ventilsitz gemäß des Standes der Technik und
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6 diesem
gegenübergestellt den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
verschleiß- und spannungsoptimierten Ventilsitz.
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Ausführungsformen
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Wie
der Darstellung gemäß 1 zu entnehmen
ist, umfasst ein Kraftstoffinjektor 10 einen Haltekörper 12.
Unterhalb des Haltekörpers 12 des Kraftstoffinjektors 10 befindet
sich ein Aktormodul 14. Dieses nimmt entweder einen Piezoaktor
oder ein Magnetventil auf, mit welchem der Kraftstoffinjektor 10 betätigt
wird. Unterhalb des Aktormoduls 14 gemäß der
Darstellung in 1 befindet sich ein Hydraulikmodul 16. Über
eine Düsenspannmutter 18 ist ein Düsenkörper 20,
in dem ein nadelförmig ausgebildetes Einspritzventilglied
bewegbar aufgenommen ist, mit dem Hydraulikmodul 16 verbunden.
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Das
Hydraulikmodul 16 umfasst eine Ventilstange 22,
eine Ventilplatte 24 und eine unterhalb der Ventilplatte 24 im
Hydraulikmodul 16 angeordnete Drosselplatte.
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2 ist
zu entnehmen, dass der Kraftstoffinjektor 10 ein Kopplervolumen 30 umfasst,
welches in einer Kopplerhülse 32 ausgeführt
ist. Oberhalb des Kopplervolumens 30 befindet sich ein
Einstellstück 28, welches teilweise in die obere
Stirnseite der Kopplerhülse 32 eingelassen ist.
Die Kopplerhülse 32 ihrerseits stützt
sich entweder über eine in 2 gestrichelt
dargestellte Federhülse 34 auf der Oberseite der
Ventilplatte 24 ab oder mit einer in durchgezogenen Linien
dargestellten Schraubenfeder 36. Sowohl bei der Alternative
mit Federhülse 34 als auch bei der Alternative
mit Schraubenfeder 36 stützen sich beide Komponenten 34 bzw. 36 auf
eine in die obere Stirnseite der Ventilplatte 24 eingelassene
Scheibe ab. Zwischen der Schraubenfeder 36 und der unteren
Stirnseite der Kopplerhülse 32 kann eine weitere
Stützscheibe vorgesehen sein.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht des Weiteren
hervor, dass die Ventilstange 22 über eine Ventilfeder 38 in
Schließrichtung beaufschlagt ist. An der Ventilstange 22 befindet
sich am der Drosselplatte 26 zuweisenden Ende ein Ventilteller 44 eines nach
außen öffnenden Ventilsitzes 42. Dieser
ist in 3 in schematischer, stark vergrößerter
Ansicht wiederge geben. Über die in 2 dargestellte
Ventilfeder 38 ist der Ventilteller 44 an die
untere Stirnseite der Ventilplatte 24, den Ventilsitz 42 verschließend, angestellt.
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3 zeigt
den Ventilsitz zwischen Ventilstange und Ventilplatte gemäß der
Darstellung in 2 in vergrößertem
Maßstab.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass sowohl an der Ventilplatte 24 eine Kontaktfläche 52,
als auch an der mit dieser zusammenwirkenden Ventilstange 22 eine
weitere Kontaktfläche 54 ausgeführt ist.
In 3 sind die Kontaktflächen 52 bzw. 54 im
voneinander weg bewegten Zustand dargestellt, so dass der Ventilsitz 42 freigegeben
ist. Im Zustand gemäß 3 strömt
unter Systemdruck stehender Kraftstoff 88 von der Innenseite 88 an
einer Außenseite 90 in hier nicht näher
dargestellte Nuten der Drosselplatte 26 des Hydraulikmoduls 16 über. Wie
in 3 angedeutet, sind beide Kontaktflächen 52, 54,
d. h. sowohl diejenige der Ventilstange 22 als auch diejenige
der Ventilplatte 24, eben ausgebildet.
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4 zeigt
den Ventilsitz mit Darstellung der Konturen der diesen bildenden
Bauteile.
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Wie 4 zeigt,
wird die Druckstange 22, die symmetrisch zur Symmetrieachse 46 ausgebildet ist,
als Drehteil gefertigt. Die Drehteilkontur ist durch Bezugszeichen 48 angedeutet.
Wie aus der Darstellung gemäß 4 hervorgeht,
stellt sich zwischen der Ventilplatte 24 und dem Ventilteller 44 der
Ventilstange 22 im Bereich des Ventilsitzes 42 lediglich eine
geringe Überdeckung in radiale Richtung ein. Diese trennt
im geschlossenen Zustand des Ventilsitzes 42 die Innenseite 88 von
der Außenseite 90.
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5 zeigt
einen Ventilsitz, wie er an derzeit eingesetzten Kraftstoffinjektoren
ausgebildet ist, im geschlossenen Zustand.
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Aus
der Darstellung gemäß 5 geht hervor,
dass am Ventilsitz 42 ein Sitzwinkel 50 von 20° ausgebildet
ist. Bei dem in der Darstellung gemäß 5 im
geschlossenen Zustand dargestellten Ventilsitz 42 weist
sowohl die Ventilplatte 24 als auch die mit dieser zusammenwirkende,
nach außen öffnende Ventilstange 22 eben
ausgeführte Kontaktflächen 52, 54 auf.
Diese liegen im in 5 dargestellten – allerdings
den Idealzustand wiedergebenden – Zustand entlang einer
gesamten Sitzlänge 56 dichtend aneinander an.
Mit Position A ist eine an einem Innendurchmesser 92 der
Ventilplatte 24 liegende Kante bezeichnet, während
mit Position B eine in radialer Richtung gesehen am Ende der Sitzlänge 56 des Kontaktbereiches
zwischen den Kontaktflächen 52, 54 liegende
Position markiert ist. Die Sitzlänge 56 erstreckt
sich von der Position A am Innendurchmesser 92 der Ventilplatte 24 in
radialer Richtung nach außen zur Position B am Ende des
Kontaktbereiches der Kontaktflächen 52 bzw. 54.
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6 schließlich
zeigt die erfindungsgemäß vorgeschlagene spannungs-
und verschleißoptimierte Ausführung des Ventilsitzes.
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Wie
der Darstellung gemäß 6 entnommen
werden kann, ist der Ventilsitz 42 analog zum Ventilsitz 42 gemäß der
Darstellung in 5 im Sitzwinkel 50 ausgebildet.
Der Sitzwinkel 50 liegt bezogen auf die Horizontale in
der Größenordnung von zwischen 10 und 60°,
hier ist ein Sitzwinkel 50 von 20° dargestellt.
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Wie
der Darstellung gemäß 6 weiter
zu entnehmen ist, ist eine Kontaktfläche 52 der
Ventilplatte im Ausführungsbeispiel gemäß 6 als
ebene Kontaktfläche 62 ausgebildet, während
die dieser gegenüberliegende Kontaktfläche 54 der
Ventilstange 22 als Kontaktfläche mit balliger
Kontur 64 ausgebildet ist. In der Darstellung gemäß 6,
die den Ventilsitz 42 in stark vergrößerter
Wiedergabe zeigt, liegt eine Konvexität der in balliger
Kontur 64 ausgebildeten Kontaktfläche der Ventilstange 22 in
der Größenordnung von etwa 0,5 μm.
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Im
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
verschleiß- und spannungsoptimierten Ventilsitzes 42 ist
die in balliger Kontur 64 ausgebildete Kontaktfläche
an der Ventilstange 22 ausgebildet, während die
eben ausgebildete Kontaktfläche 64 an der Ventilplatte 24 ausgeführt
ist. Ebenso gut kann es sich umgekehrt verhalten, so dass die in
balliger Kontur 64 ausgebildete Kontaktfläche
an der Ventilplatte 24 und die eben ausgebildete Kontaktfläche 62 an
der Ventilstange 22 bzw. an der Oberseite des den Dichtsitz 42 zuweisenden
Ventiltellers 44 ausgeführt ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 6 geht des Weiteren
hervor, dass im Bereich eines Innendurchmessers 92 der
Ventilplatte 24, der in der Größenordnung
von etwa 2 bis 3 mm liegt, eine gerundete Innenkante 72 ausgebildet
ist. Die gerundete Innenkante 72 wird bevorzugt in einem
sehr geringen, ersten Radius 76 ausgebildet, der in der
Größenordnung von etwa 3 μm liegt. Dieser
Radius wird im Bereich der Position A ausgeführt und klein
gewählt, damit am Innendurchmesser 52 keine zusätzliche
Druckstufe entsteht. Der erste Radius 76 wird deswegen bevorzugt
in einer Größenordnung von 3 μm gewählt. Aufgrund
der gerundeten Innenkante 72 steht der im Innenraum 88 anstehende
Druck bis zur Position C gemäß der Darstellung
in 6 an. Der Abstand zwischen der in 6 dargestellten
Position C, dem Beginn der tragenden Sitzlänge, und dem
Innendurchmesser 92, d. h. dem ersten Abstand 68,
sollte möglichst minimal sein. Ausgehend von der Position
C, welche den theoreti schen Berührungspunkt zwischen den
Kontaktflächen 52, 54 von Ventilstange 22 und
Ventilplatte 24 markiert, erstreckt sich ein Bereich 70 einer
Sitzlänge 56. Dieser Bereich 70 entspricht
ca. 40 bis 50% der gesamten Sitzlänge, die in der Darstellung
gemäß 6 durch Bezugszeichen 56 analog
zur Darstellung gemäß 5 aufgetragen ist.
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Im
in 6 dargestellten Neuzustand dichtet der Ventilsitz 42 zunächst
innerhalb dieses Bereiches 70, d. h. 40 bis 50% der gesamten
Sitzlänge 56. In radialer Richtung zur Außenseite 90 hin
verlaufend entsteht ein durch Bezugszeichen 86 bezeichneter
Spalt zwischen der eben ausgebildeten Kontaktfläche 62 und
der in der balligen Kontur 64 ausgebildeten Kontaktfläche
des Ventiltellers 44 der Ventilstange 22. Über
die Länge dieses Spaltes 86 gesehen, wird durch
die erfindungsgemäße Lösung eine weitere Sitzlänge 84 bereitgestellt.
Diese wird dann wirksam, wenn entsprechend nach längerer
Lebensdauer des erfindungsgemäßen Ventilsitzes 42 der
wirksame abdichtende Sitzdurchmesser in radiale Richtung in den Spalt 86 wandert.
Die weitere Sitzlänge 84 stellt gewissermaßen
einen „Vorrat” an weiterer Sitzlänge
zur Verfügung, der über die Lebensdauer des Ventilsitzes 42,
d. h. des Kraftstoffinjektors 10 gesehen, wirksam wird,
wenn sich mechanischer Verschleiß im Bereich 70,
d. h. in den 40 bis 50% der Sitzlänge im Neuzustand einstellt.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 6 weiter hervorgeht,
ist der Ventilteller 44 am unteren Ende am der Drosselplatte 26 zuweisenden
Ende der Druckstange 22 mit einem vierten Radius 82 ausgeführt,
in den der Spalt 86 zwischen der ebenen Kontaktfläche 62 und
der die ballige Kontur 64 aufweisenden Kontaktfläche
ausläuft. Des Weiteren ist im Auslauf des Spaltes 86 an
der Ventilplatte 24 ein dritter Radius 80 ausgebildet,
sowie auf der Innenseite 88 an der gerundeten Innenkante 52 eine
Rundung in Gestalt eines ersten Radius 76 vor dem theoretischen
Berührungspunkt C zwischen der ebenen Kontaktfläche 62 und
der die ballige Kontur 64 aufweisenden Ventilplatte 24 bzw.
Ventilstange 22.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
wie in 6 in vergrößertem Maßstab
dargestellt, resultiert bei maximaler Kontaktkraft, d. h. maximaler
Dichtkraft, am Ventilsitz 42 im Neuzustand des Ventilsitzes 42 ein
ca. 40% bis 50% der gesamten Sitzlänge 56 ausmachender
tragender Sitzbereich. Ausgehend von diesem Bereich 70 der
Gesamtsitzlänge 56 wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ein weiterer Bereich 84 der Gesamtsitzlänge 56 erschlossen,
der bei sich einstellendem mechanischen Verschleiß innerhalb
des Bereiches 70 bei längerer Lebensdauer des
Kraftstoffinjektors 10 die Dichtheit des Ventilsitzes 42 im
geschlossenen Zustand sicherstellt.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
kann, wie obenstehend bereits angedeutet, noch durch eine Vertauschung
der Komponenten 22, 24, an deren Kontaktflächen
die ballige Kontur 64 bzw. die ebene Planfläche
ausgebildet sind, erreicht werden.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausbildung
des Ventilsitzes 42 kann ein deutlich verringerter Schlupf
zwischen der Ventilplatte 24 und der Ventilstange 22 erreicht
werden. Insbesondere lässt sich eine auf einem niedrigeren
Niveau verlaufende, gleichmäßigere Pressung im
Kontaktbereich, eine Spannungsoptimierung in den den Ventilsitz 42 ausmachenden
Komponenten Ventilplatte 24 und Ventilstange 22 mit
Ventilteller 44 erreichen. Eine Verrundung der Innenkanten,
d. h. die Ausbildung der gerundeten Innenkante 72, sowie
die Ausbildung der gerundeten Außenkante 74 hat
Vorteile hinsichtlich des sich einstellenden mechanischen Verschleißes, wobei
insbesondere in Position A die gerundete Innenkante 72 derart
auszubilden ist, dass dort ein möglichst geringer Radius,
d. h. der Radius 78, ausgeführt wird, um zu vermeiden,
dass sich an der Innenseite 88 am Innendurchmesser 92 eine
Druckstufe ausbildet und andererseits der erste Abstand 68 zwischen
dem theoretischen Berührungspunkt, vergleiche Position
C gemäß 6, möglichst
gering ist. Je geringer der erste Abstand 68 ist, desto
größer ist die Summe der Bereiche 70 und 84,
d. h. ein desto größerer Bereich kann als Sitzlänge 56 über
die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors 10 am Ventilsitz 42 selbst
bei sich einstellendem mechanischem Verschleiß genutzt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10335340
A1 [0001]
- - DE 19940300 A1 [0002]
- - DE 102007018040 [0003]