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Die
Erfindung betrifft ein Hydraulikmodul für einen Kraftstoffinjektor.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind Kraftstoffinjektoren bekannt, in denen ein
Aktor über
ein Hydraulikmodul auf eine Düsennadel
einwirkt, um Kraftstoffeinspritzöffnungen
wahlweise frei zu geben oder zu verschließen. Um Beschädigungen
des Aktors zu vermeiden, die aufgrund der Massenträgheit der
im Betrieb beschleunigten Massen entstehen können, wird der Aktor häufig mittels
einer Federhülse
vorgespannt. Dabei stützt
sich die Federhülse
an einer Kopplerhülse
ab, die einen Ventilkolben des Hydraulikmoduls umgibt.
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Solche
bekannten Hydraulikmodule weisen eine gewisse Mindestbaulänge auf
und sind in der Herstellung aufwändig,
da Fertigungstoleranzen der Federhülse durch Einstellscheiben
ausgeglichen werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Hydraulikmodul bereitzustellen, das eine geringe Baulänge aufweist
und einfach und kostengünstig
herzustellen ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Hydraulikmodul
hat eine Ventilplatte mit einer in der Ventilplatte ausgebildeten
Bohrung, ein in oder an der Ventilplatte angeordneten Steuerventil
und eine Ventilstange mit einem ventilseitigen Ende und einem aktorseitigen
Ende. Das ventilseitige Ende der Ventilstange ist so in der Bohrung
angeordnet, dass das Steuerventil durch die Ventilstange betätigbar ist.
Eine Kopplerhülse
ist beweglich auf dem aktorseitigen Ende der Ventilstange geführt und
ein Einstellstück
liegt auf der der Ventilplatte abgewandten Seite der Kopp lerhülse auf,
so dass zwischen dem Einstellstück
und der Ventilstange ein Kopplerspalt ausgebildet ist, der in radialer
Richtung von der Kopplerhülse
begrenzt wird. Dabei steht das Einstellstück in radialer Richtung über die
Kopplerhülse
hervor. Eine Ventilkolbenfeder stützt die Ventilstange gegenüber der
Ventilplatte ab und eine elastischen Federhülse stützt sich einerseits auf der
Ventilplatte und andererseits auf dem über die Kopplerhülse hervorstehenden
Bereich des Einstellstücks
ab.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Hydraulikmodul
ist kein Bereich der Kopplerhülse
zwischen der Federhülse
und dem Einstellstück
angeordnet. Dadurch haben Fertigungstoleranzen der Kopplerhülse keinen
Einfluss auf die Funktion der Federhülse. Auf die Verwendung einer
Einstellscheibe zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen der Kopplerhülse kann
daher verzichtet werden. Auch kann die Baulänge gegenüber bekannten Hydraulikmodulen
reduziert werden.
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In
einer Ausführungsform
ist zusätzlich
eine Kopplerfeder vorgesehen, welche die Kopplerhülse elastisch
gegenüber
der Ventilplatte abstützt.
In dieser Ausführungsform
wird die Fertigung vereinfacht, das es nicht notwendig ist, das
Einstellstück
fest mit der Kopplerhülse
zu verbinden. Auch können
das Einstellstück
und/oder die Kopllerhülse
leichter ausgetauscht werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist die Kopplerhülse
fest mit dem Einstellstück
verbunden. In dieser Ausführungsform
kann auf eine zusätzliche Kopplerfeder
verzichtet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist die Kopplerhülse
mit dem Einstellstück
verschweißt,
in einer alternativen Ausführungsform
ist die Kopplerhülse
mit dem Einstellstück
verschraubt. Verschrauben und Verschweißen stellen einfache und kostengünstige Maßnahmen
zur zuverlässigen
Verbindung der Kopplerhülse
mit dem Einstellstück
dar.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die dem Einstellstück
zugewandte Seite der Kopplerhülse
mit einer Beißkante
versehen. Eine Beißkante
ermöglicht
eine zuverlässig
dichtende Verbindung zwischen der Kopplerhülse und dem Einstellstück, so dass
der Kopplerspalt hydraulisch dicht abgeschlossen ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist in der Ventilstange eine Verjüngung zur Kopplung der Ventilstange
mit der Ventilkolbenfeder ausgebildet. Insbesondere ist an der Verjüngung eine
Sicherungsscheibe mit einem Sicherungsring befestigt, über welche
die Ventilkolbenfeder an die Ventilstange gekoppelt ist. Dadurch
kann die Ventilkolbenfeder zuverlässig und kostengünstig mit
der Ventilstange gekoppelt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist zwischen der an dem Einstellstück ausgebildeten Auflagefläche und
der Federhülse
eine Einstellscheibe angeordnet. Durch die Wahl der Dicke der Einstellscheibe
kann das Hydraulikmodul justiert werden. Insbesondere können Fertigungstoleranzen
der Federhülse
und/oder des Einstellstücks
ausgeglichen werden.
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Die
Erfindung umfasst auch einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen
von Kraftstoff in eine Verbrennungsmaschine, der ein erfindungsgemäßes Hydraulikmodul
aufweist. Ein solcher Kraftstoffinjektor ist einfach und mit einer
geringen Baulänge
herstellbar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einem Kraftstoffinjektor
mit einem erfindungsgemäßen Hydraulikmodul.
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2 zeigt
das erfindungsgemäße Hydraulikmodul
aus 1 in einer gegenüber der 1 vergrößerten Darstellung.
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3 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls.
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4 zeigt
ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Hydraulikmoduls, bei dem die Kopplerhülse mittels einer Schweißverbindung
mit dem Einstellstück
verbunden ist.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Hydraulikmoduls, bei dem die Kopplerhülse mit dem Einstellstück verschraubt
ist.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einem Kraftstoffinjektor 1 mit
einem erfindungsgemäßen Hydraulikmodul.
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Der
Kraftstoffinjektor 1 weist einen zylindrischeen Injektorkörper 54 und
eine Düsenspannmutter 56 auf,
die durch eine Verschraubung 60 mit dem Injektorkörper 54 verspannt
ist. Innerhalb der Verschraubung 60 ist ein Dichtungsring 61 angeordnet, um
die Verbindung zwischen dem Injektorkörper 54 und der Düsenspannmutter 56 abzudichten.
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In
dem in der 1 unten dargestellten Bereich
des Kraftstoffinjektors 1 ist innerhalb der Düsenspannmutter 56 eine
Düsennadel 46 angeordnet, die
entlang einer Längsachse
A der Düsenspannmutter 56 zwischen
einer unteren Ruheposition und wenigstens einer oberen Einspritzposition
bewegbar ist. Wenn sie sich in der unteren Ruheposition befindet, verschließt die Düsennadel 46 mit
ihrem in der 1 nicht gezeigten unteren Ende
Einspritzöffnungen,
die im nicht gezeigten unteren Ende der Düsenspannmutter 56 ausgebildet
sind. Die Düsennadel 46 gibt die
Einspritzöffnungen
frei, wenn sie sich in einer oberen Einspritzposition befindet.
Die Düsennadel 46 ist
durch eine um die Düsennadel 46 angeordnete Düsennadelfeder 62 gegenüber der
Düsenspannmutter 56 elastisch
abgestützt.
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Das
in der 1 gezeigte obere Ende der Düsennadel 46 ist radial
von einer Steuerraumhülse 66 umgeben,
wobei die Düsennadel 46 innerhalb
der Steuerraumhülse 66 parallel
zur Längsachse
A der Düsenspannmutter 56 beweglich
ist. Oberhalb der Düsennadel 46 und
der Steuerraumhülse 66 ist
innerhalb der Düsenspannmutter 56 eine
Drosselplatte 58 angeordnet. Die Drosselplatte 58 ist
gegenüber der
Düsenspannmutter 56 nicht
beweglich. Zwischen dem oberen Ende der Düsennadel 46 und der
Drosselplatte 58 ist ein Steuerraum 64 ausgebildet,
der radial von der Steuerraumhülse 66 begrenzt
wird. Das Volumen des Steuerraums 64 ist durch Bewegen
der Düsennadel 46 parallel
zur Längsachse
A der Düsenspannmutter 56 variierbar.
Umgekehrt ist die Düsennadel 46 durch Variation
des Drucks innerhalb des Steuerraums 64 gegenüber der
Düsenspannmutter 56 zwischen
der unteren Ruheposition, in der die Düsennadel 46 die nicht
gezeigten Kraftstoffeinspritzöffnungen
verschließt
und wenigstens einer oberen Einspritzposition, in der die Düsennadel 46 die
Kraftstoffeinspritzöffnungen
freigibt, bewegbar.
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Auf
der von der Düsennadel 46 abgewandten
Seite der Drosselplatte 58 ist innerhalb der Düsenspannmutter 56 eine
Ventilplatte 4 angeordnet. Die Ventilplatte 4 ist
gegenüber
der Düsenspannmutter 56 und
der Drosselplatte 58 nicht beweglich.
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In
der Ventilplatte 4 ist eine Bohrung 6 ausgebildet,
welche die Ventilplatte 4 vollständig von ihrer der Drosselplatte 58 zugewandten
Unterseite zu ihrer von der Drosselplatte 58 abgewandten
Oberseite durchdringt. Im unteren, der Drosselplatte 58 zugewandten
Bereich der Bohrung 6 ist ein Steuerventil 8 angeordnet.
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Durch
Betätigen
des Steuerventils 8 ist der Steuerraum 64 wahlweise
mit einer Kraftstoffkammer 40, die im Betrieb über eine
Kraftstoffzufuhr 34 mit unter hohen Druck stehenden Kraftstoff
gefüllt
ist, oder mit einem nicht gezeigten Kraftstoffablauf verbindbar.
Dadurch ist der Druck im Steuerraum 64 regulierbar, um
die Düsennadel 46 zwischen
der unteren Ruheposition und einer oberen Einspritzposition zu bewegen.
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Auf
der von der Drosselplatte 58 abgewandten Seite des Steuerventils 8 ist
in der Bohrung 6 das ventilseitige Ende 12 einer
Ventilstange 10 angeordnet. Dabei ist das ventilseitige
Ende 12 der Ventilstange 10 so mit dem Steuerventil 8 gekoppelt,
dass das Steuerventil 8 durch Bewegen der Ventilstange 10 in
ihrer Längsrichtung
betätigbar
ist. Im rechten, oberen Bereich der Ventilplatte 4 ist
das untere Ende der Kraftstoffzufuhr 34 zu erkennen, über die
der an dem das Steuerventil 8 angeordneten Kraftstoffkammer 40 von
einer externen Kraftstoffquelle unter Druck stehender Kraftstoff
zuführbar
ist.
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Die
Ventilstange 10 ragt über
die obere, von der Drosselplatte 58 abgewandte Seite der
Ventilplatte 4 hinaus und weist oberhalb der Ventilplatte 4 eine Verjüngung 28 auf,
an der eine Sicherungsscheibe 30b mit einem Sicherungsring 30a befestigt
ist. Eine Ventilkolbenfeder 26 umgibt die Ventilstange 10 im Bereich zwischen
der Oberseite der Ventilplatte 4 und der Sicherungsscheibe 30b und
stützt
sich jeweils an der Ventilplatte 4 und der Sicherungsscheibe 30b ab,
wodurch die Ventilstange 10 über die Sicherungsscheibe 30b und
die Ventilkolbenfeder 26 elastisch gegenüber der
Ventilplatte 4 abgestützt
ist.
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Ein
aktorseitiges Ende 14 der Ventilstange 10 ist
in eine Kopplerhülse 16 eingeführt, wobei
die Ventilstange 10 in ihrer Längsrichtung innerhalb der Kopplerhülse 16 beweglich
ist. Auf der oberen, von der Ventilplatte 4 abgewandten
Seite der Kopplerhülse 16 liegt
ein Einstellstück 20 auf.
Zwischen dem aktorseitiges Ende 14 der Ventilstange 10 und
dem Einstellstück 20 ist
ein Kopplerspalt 22 ausgebildet, der in radialer Richtung
von der Kopplerhülse 16 begrenzt
wird.
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Das
Einstellstück 20 hat
in der Ebene, die rechtwinklig zur Längsachse der Ventilstange 10 angeordnet
ist, einen größeren Durchmesser
als die Kopplerhülse 16,
so dass das Einstellstück 20 in
radialer Richtung über
die Kopplerhülse 16 hinaus
hervorsteht. Zwischen der der Ventilplatte 4 zugewandten
Unterseite dieses über
die Kopplerhülse 16 hervorstehenden
Bereichs und der Oberseite der Ventilplatte 4 ist eine
elastische Federhülse 36 angeordnet, welche
die Ventilstange 10, die Ventilkolbenfeder 26 und
die Kopplerhülse 16 umgibt.
Die elastische Federhülse 36 ist
in Längsrichtung
komprimierbar und stützt
so das Einstellstück 20 elastisch
auf der Ventilplatte 4 ab.
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Die
Kopplerhülse 16 ist
durch eine in der 1 nicht gezeigte Verschraubung
oder Verschweißung
mit dem Einstellstück 20 verbunden.
In einer Ausführungsform
ist die an dem Einstellstück 20 anliegende
Oberkante 18 der Kopplerhülse 16 als Beißkante ausgebildet,
um eine hydraulisch dichte Verbindung zwischen dem Einstellstück 20 und
der Kopplerhülse 16 zu
schaffen und so den Kopplerspalt 22 hydraulisch abzudichten.
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Auf
der von der Kopplerhülse 16 abgewandten
Oberseite des Einstellstücks 20 ist
eine Aufnahme 38 ausgebildet, in die der Kopf 52 eines
Aktors 44 eingeführt
ist, der oberhalb des Einstellstücks 20 innerhalb
des Injektorkörpers 54 angeordnet
ist.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise des in der 1 dargestellten
Kraftstoffinjektors 1 beschrieben:
Im Ruhezustand
ist keine Spannung an den Aktor 44 angelegt. Die Federhülse 36 drückt das
Einstellstück 20 gegen
den Aktor 44, die Ventilstange 10 befindet sich
in ihrer oberen Position, so dass das Steuerventil 8 den
Steuerraum 64 mit der Kraftstoffkammer 40 verbindet,
so dass der Steuerraum 64 über die Kraftstoffzufuhr 34 mit
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus einer externen Kraftstoffquelle
versorgt wird.
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Der
dadurch erzeugte hohe Druck im Steuerraum 64 drückt die
Düsennadel 46 im
Zusammenwirken mit der Düsennadelfeder 62 in
die untere Ruheposition, in der sie die Einspritzöffnungen
verschließt, so
dass kein Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 1 in einen
nicht gezeigten Verbrennungsraum, der das untere Ende des Kraftstoffinjektors 1 umgibt,
eingespritzt wird.
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Zum
Auslösen
des Einspritzvorgangs wird der Aktor 44, der beispielsweise
als Piezo-Aktor ausgebildet ist, betätigt, indem eine Spannung angelegt wird,
so der Aktor 44 auslängt.
Der Kopf 52 des Aktors 44 bewegt sich in Richtung
der Ventilplatte 4, d. h. in der 1 nach unten,
und drückt
das Einstellstück 20 gegen
die elastische Kraft der Federhülse 36,
die dabei komprimiert wird, in Richtung der Ventilplatte 4.
Der Kopplerspalt 22 wird komprimiert und der erhöhte Druck
im Kopplerspalt 22 drückt
die Ventilstange 10 gegen die Kraft der Ventilkolbenfeder 26 in
Richtung der Ventilplatte 4 und betätigt das Steuerventil 8.
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Wenn
es betätigt
wird, verbindet das Steuerventil 8 den Steuerraum 64 mit
einer in der 1 nicht gezeigten Ablaufleitung,
so dass Kraftstoff aus dem Steuerraum 64 in die Ablaufleitung
ablaufen kann, wodurch der Druck im Steuerraum 64 abfällt.
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An
dem in der 1 nicht sichtbaren Ende der
Düsennadel 46 ist
eine Druckschulter ausgebildet, die von unter hohem Druck stehenden
Kraftstoff umgeben ist, so dass dieser eine nach oben gerichtete Öffnungskraft
auf die Düsennadel 46 ausübt. Bei aktiviertem
Steuerventil 8 übersteigt
die auf die Düsennadel 46 wirkenden Öffnungskraft
die durch den Druck im Steuerraum 64 auf die Düsennadel 46 ausgeübte Schließkraft,
so dass die Düsennadel 46 aus der
unteren Ruheposition in ein Einspritzposition gedrückt wird
und die Einspritzöffnungen freigibt.
Kraftstoff strömt
aus dem Kraftstoffinjektor 1 durch die Einspritzöffnungen
in den Verbrennungsraum.
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Um
den Einspritzvorgang zu beenden, wird der Aktor 44 deaktiviert,
indem die angelegte Spannung abgeschaltet wird. Daraufhin verringert
sich die Länge
des Aktors 44, worauf das Einstellstück 20 und die mit
ihm verbundene Kopplerhülse 16 von
der Federhülse 36 gegen
den verkürzten
Aktor 44 nach oben gedrückt
werden. Der Druck im Kopplerspalt 22 nimmt dadurch ab und
die Ventilstange 10 wird von der Ventilkolbenfeder 26 gegen
den verringerten Druck im Kopplerspalt 22 in Richtung des
Aktors 44 gedrückt.
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Das
Steuerventil 8 trennt daraufhin die Verbindung des Steuerraums 64 mit
dem nicht gezeigten Ablaufkanal, so dass der unter hohem Druck in
den Steuerraum 64 einströmende Kraftstoff nicht ablaufen
kann. Der Druck in dem Steuerraum 64 steigt auf den in
der Kraftstoffkammer 40 und in der Kraftstoffzufuhr 34 herrschenden
hohen Druck und die Düsennadel 46 wird
durch den hohen Druck im Steuerraum 64 und die Kraft der
Düsennadelfeder 62 in
ihre untere Ruheposition gedrückt,
in der sie die Kraftstoffeinspritzöffnungen verschließt, so dass
kein weiterer Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 1 in
den Brennraum einströmt.
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Dadurch,
dass die Federhülse 36 in
einem erfindungsgemäßren Hydraulikmodul 2 mit
ihrem oberen Ende unmittelbar an dem Einstellstück 20 angreift, kann
das Hydraulikmodul 2 mit einer kurzen Baulänge hergestellt
werden. Insbesondere kann die Baulänge gegenüber herkömmlichen Hydraulikmodulen um
die Höhe
des Bereiches der Kopplerhülse 16,
der in einem herkömmlichen
Hydraulikmodul zwischen dem Einstellstück 20 und der Federhülse 36 angeordnet
ist, reduziert werden.
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Dadurch,
dass kein Bereich der Kopplerhülse 16 zwischen
dem Einstellstück 20 und
der Federhülse 36 angeordnet
ist, haben axiale Fertigungstoleranzen der Kopplerhülse 16 keinen
Einfluss auf die Funktion des Hydraulikmoduls 2. Es sind
daher keine Einstellringe notwendig, um solche Fertigungstoleranzen
auszugleichen. Dementsprechend kann darauf verzichtet werden, auf
der Oberseite der Ventilplatte 4 eine Vertiefung zum Einlegen
solcher Einstellringe vorzusehen. Dadurch wird die Herstellung der
Ventilplatte 4 deutlich vereinfacht.
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Im
Ergebnis ist ein erfindungsgemäßes Hydraulikmodul
einfach und kostengünstig
herzustellen und kann mit einer kurzen Baulänge verwirklicht werden.
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2 zeigt
das erfindungsgemäße Hydraulikmodul 2 aus 1 in
einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung.
Die gleichen Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen und
auch hinsichtlich der Beschreibung wird auf 1 verwiesen.
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3 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls 2. In
diesem Ausführungsbeispiel
ist das Einstellstück 20 nicht
fest mit der Kopplerhülse 16 verbunden.
Vielmehr ist eine zusätzliche
Kopplerfeder 42 vorgesehen, die innerhalb der Federhülse 36 um
die Ventilkolbenfeder 26 angeordnet ist und die Kopplerhülse 16 in
Längsrichtung
elastisch auf der Ventilplatte 4 abstützt.
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Die
Kopplerfeder 42 übt
eine größere Kraft auf
die Kopplerhülse 16,
als die Federhülse 36 auf das
Einstellstück 20.
Dadurch wird die Kopplerhülse 16,
auf deren dem Einstellstück 20 zugewandten Oberseite
eine Beisskante 18 ausgebildet ist, von der Kopplerfeder 42 elastisch
gegen das Einstellstück 20 gedrückt wird.
So wird eine dichte Verbindung zwischen der Kopplerhülse 16 und
dem Einstellstück 20 geschaffen,
durch die der Kopplerraum 22 hydraulisch abgedichtet ist.
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Bei
der Herstellung des Hydraulikmoduls 2 nach diesem Ausführungsbeispiel
kann der Schritt des festen Verbindens der Kopplerhülse 16 mit
dem Einstellstücks 20 eingespart
werden.
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4 zeigt
ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hydraulikmoduls 2.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist dem zwischen der Auflagefläche 24 des
Einstellstücks 20 und
der Oberkante der Federhülse 36 eine
Einstellscheibe 32 angeordnet. Durch die Wahl der Dicke
der Einstellscheibe 32 kann die durch die Federhülse 36 auf
die Einstellscheibe 32 ausgeübte Kraft justiert werden.
Auch können
durch die Wahl der Dicke der Einstellscheibe 32 Fertigungstoleranzen
der Federhülse 36 und/oder
des Einstellstücks 20 ausgeglichen
werden.
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In
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kopplerhülse 16 mittels
einer umlaufenden Schweißverbindung 68 mit
dem Einstellstück 20 verbunden.
Dadurch kann auf eine zusätzliche
Kopplerfeder, welche die Kopplerhülse 16 gegen das Einstellstück 20 drückt, verzichtet
werden, wodurch des Aufbau des Hydraulikmoduls 2 vereinfacht
wird. Ein Kraftstoffinjektor 1 mit einem solchen Hydraulikmodul 2,
dass keine zusätzliche
Kopplerfeder aufweist, ist besonders zuverlässig, da die zusätzliche
Kopplerfeder als mögliche
Fehlerquelle entfällt.
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In
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann auf eine
Schraubverbindung zwischen dem Einstellstück 20 und der Kopplerhülse 16 verzichtet
werden, wodurch das Einstellstück 20 und
die Kopplerhülse 16 einfach
und kostengünstig
herstellbar sind und das Hydraulikmodul einfach montierbar ist.
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In
dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in dem
Einstellstück 20 und
in der dem Einstellstück 20 zugewandten
Stirnseite der Kopplerhülse 16 Bohrungen 70 ausgebildet
und das Einstellstück 20 ist
durch in den Bohrungen 70 angeordnete Gewindebolzen 72 mit
der Kopplerhülse 16 verschraubt.
Dadurch kann sowohl auf ein zusätzliche Kopllerfeder
als auch auf eine Schweissverbindung 68, die zu einer unerwünschten
Verformung des Einstellstücks 20 und/oder
der Kopplerhülse 16 führen kann,
verzichtet werden. Darüber
hinaus können
für das
Einstellstück 20 und/oder
die Kopplerhülse 16 Materialien
verwendet werden, die nicht zum Schweißen geeignet sind.