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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Schaltventil zur Steuerung eines Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, insbesondere eines Kraftstoffinjektors in einem Common-Rail-Einspritzsystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Schaltventil.
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Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art werden in Kraftfahrzeugen dazu eingesetzt, Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Die Kraftstoffversorgung der Injektoren erfolgt dabei in der Regel über eine gemeinsame Hochdruckspeicherleitung, dem Common-Rail. In derartigen Einspritzsystemen können Systemdrücke von bis zu 2000 bar realisiert werden. Um den Wirkungsgrad eines solchen Systems weiter zu steigern, werden Systemdrücke deutlich über 2000 bar angestrebt. Mit steigendem Systemdruck steigen allerdings auch die Anforderungen an die einzelnen Systemkomponenten. Im Hinblick auf den Kraftstoffinjektor gilt es dabei insbesondere zu beachten, dass weiterhin eine präzise Steuerung des Einspritzvorgangs und eine genaue Festlegung der Einspritzmenge erfolgen. Erhöhte Anforderungen werden somit vor allem an das zur Steuerung des Einspritzventilgliedes vorgesehene Schaltventil gestellt. Darüber hinaus sollte sichergestellt sein, dass das Schaltventil den erhöhten Anforderungen langfristig gerecht wird. Demnach gilt es den Verschleiß, insbesondere den Verschleiß im Bereich des Ventilsitzes des Schaltventils, zu verringern, um auf diese Weise eine hohe Langzeitstabilität des Schaltventils und damit des Kraftstoffinjektors zu gewährleisten.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 101 52 173 A1 geht ein Magnetventil zu Steuerung eines Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung hervor, dass eine Ventilkugel als Ventilschließelement umfasst, welche auf einen Ventilsitz eines Entlastungsraums aufbringbar ist, der wiederum über eine Bohrung mit dem Steuerdruckraum des Einspritzventils in Fluidverbindung steht. Die Bohrung weist dabei mehrere Abschnitte auf, welche zur Minderung der Bildung von Kavitationsblasen in Richtung des Ventilsitzes sich kontinuierlich im Querschnitt verbreitern. Durch diese Maßnahme sollen scharfkantige Übergänge im Bereich der Strömungskontur verhindert werden, die einen starken Strömungsabriss und damit die Bildung von Totwasser- und Rezirkulationsgebieten zur Folge haben, welche wiederum zur Bildung von Unterdruckzonen und damit von Kavitationsblasen führen. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Bohrung soll eine nahezu turbulenzfreie Strömung des Mediums ohne die beschriebenen negativen Auswirkungen erzielt werden. Von den sich kontinuierlich im Querschnitt verbreiternden Abschnitten der Bohrung ist zumindest ein Abschnitt als Drossel und ein Abschnitt als Diffusor ausgebildet, wobei die beiden Abschnitte vorzugsweise die gleiche Länge aufweisen und möglichst kurz gehalten sind. Der Diffusor soll theoretisch ein sanftes Auskondensieren der in der A-Drossel entstandenen Dampfblasen bewirken (Druckgewinn).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Strömung eines Mediums durch ein Schallventil weiter zu optimieren. Ein Augenmerk liegt dabei insbesondere auf der Reduzierung bzw. Vermeidung von Kavitationsschäden an den Srömungsgeometrien, die sich innerhalb des Ventilstücks befinden, wie A-Drossel und Diffusor. Kavitationsschäden an den Strömungsgeometrien führen zu einem schädlichen Materialabtrag und damit zu Undichtigkeiten, so dass die Funktionsfähigkeit des Schaltventils gefährdet ist. Insbesondere soll eine strömungsgünstige Kontur für die Bohrung im Ventilstück zwischen Ventilsitz und Steuerraum angegeben werden, durch welche Kaviationsschäden in dem Maße verringert werden, dass das Schaltventil eine erhöhte Langszeitstabilität aufweist. Zudem soll das Schaltventil einfach zu fertigen und kostengünstig herstellbar sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit einem solchen Schaltventil vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Schaltventil umfasst ein Ventilstück mit einem Ventilsitz sowie ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes, hubbewegliches Ventilschließelement. Im Ventilstück ist ferner eine Bohrung ausgebildet, die zumindest einen als Drossel dienenden ersten Abschnitt A1 und einen als Diffusor dienenden zweiten Abschnitt A2 umfasst. Erfindungsgemäß besitzt der als Drossel dienende Abschnitt A1 eine Länge L und einen Durchmesser D, wobei das Verhältnis L/D > 3 gewählt ist. Durch diese Maßnahme ist eine Strömungskontur der zum Ventilsitz führenden Bohrung vorgegeben, welche eine im Verhältnis zum Durchmesser des als Drosselabschnitt dienenden Teils der Bohrung eine deutlich größere Länge aufweist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene verlängerte Ausbildung des als Drossel dienenden Abschnitts A1 wird die wirbelbehaftete Drosselströmung tendenziell nahe an den Drosselwandbereich gebracht, wodurch der Bildung von Totwassergebieten entgegengewirkt wird. Zudem kann durch eine verlängerte Drosselausbildung einem Pulsen der Strömung entgegen gewirkt werden, das häufig bei „kurzen” Drosseln in Erscheinung tritt. Als „kurze” Drossel wird vorliegend jede Drosselausbildung verstanden, bei welcher das Verhältnis der Länge zum Durchmesser weniger als 3 beträgt (L/D > 3).
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Bei einer Steigerung des Systemdrucks auf mehr als 2000 bar wirkt die in der Bohrung ausgebildete Drossel als „Blende”, welche zu starken Druckdifferenzen und somit zur Wirbelbildung im weiteren Verlauf der Bohrung führt. Durch einen verlängerten Drosselabschnitt kann die in den als Diffusor dienenden Abschnitt eintretende dampfbeladene Absteuerströmung auf den Bereich der Strömungsachse konzentriert werden. Dies führt dazu, dass eine schützende Rückströmung des Mediums in Richtung des Drosselabschnitts entlang des Diffusorabschnitts weniger stark verwirbelt und die Kondensation der enthaltenden Dampfphase im Druckrückgewinnungsgebiet von der Bohrungswandung fern gehalten wird. Dabei bleibt eine für die Funktion eines das Schaltventil aufnehmenden Kraftstoffinjektors relevante Kavitationswirkung erhalten und ist demnach bei einer „langen” Drossel genauso wie für eine „kurze” Drossel darstellbar.
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Aufgrund der vorgeschlagenen Strömungskontur können Beschädigungen durch Materialabtrag insbesondere im Übergangsbereich des Drosselabschnitts in den Diffusorabschnitt verringert werden. Einer verschleißbedingten Verrundung im Übergangsbereich und einer damit einhergehenden Durchflussänderung über die Laufzeit des Schaltventils kann demnach durch die vorgeschlagene Maßnahme entgegengewirkt werden. Zudem wird ein starker Materialabtrag im Bereich des Diffusorabschnitts verhindert, der zu einer Reduzierung der Festigkeit des die Bohrung aufnehmenden Ventilstücks führen würde. Demzufolge wird durch die vorgeschlagene Maßnahme auch die Langzeitstabilität des Schaltventils verbessert. Ein „langer” Drosselabschnitt der Bohrung hat nicht nur eine stabilisierende Wirkung im Hinblick auf das Strömungsverhalten des die Bohrung durchströmenden Mediums, sondern auch auf die Festigkeit des Ventilstückes bzw. des Ventils.
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Bevorzugt beträgt die Länge L des als Drossel dienenden Abschnitts A1 der Bohrung wenigstens 0,8 mm. Der maximale Bohrungsdurchmesser D sollte vorzugsweise weniger als 250 μm betragen. Dieses Maß entspricht gängigen Drosselquerschnitten bei Schaltventilen, die in Kraftstoffinjektoren Einsatz finden. Zumindest im Hinblick auf den Bohrungsdurchmesser D können somit die üblichen Abmessungen beibehalten werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, den Ventilsitz als Flachsitz oder als Kegelsitz auszubilden. Vorzugsweise schließt sich der als Flachsitz oder Kegelsitz ausgebildete Ventilsitz unmittelbar oder mittelbar an den als Diffusor dienenden Abschnitt A2 der Bohrung an. D. h., dass eine zwischen Diffusor und Ventilsitz ausgebildete zusätzliche Strömungskontur entfallen kann. Dadurch kann der als Diffusor dienende Abschnitt A2 verkürzt ausgebildet werden. Die Verkürzung kann in einem Maß erfolgen, so dass es zur Verlängerung des als Drossel dienenden Abschnitts A1 keiner Veränderung der Abmessungen des Ventilstücks bedarf. Die Verkürzung des Diffusorabschnittes vermag somit die vorgeschlagene Verlängerung des Drosselabschnittes auszugleichen. Der Übergangsbereich Drossel/Diffusor, d. h. der Übergang von Abschnitt A1 in den Abschnitt A2, wird lediglich weiter zum Ventilsitz hin verschoben. Der Entfall einer zusätzlichen, sich an den Diffusorabschnitt anschließenden Strömungskontur hat des Weiteren eine Vereinfachung der Bohrungsgeometrie zur Folge, welche somit einfach und kostengünstig zu fertigen ist. Zudem kann der Erodiervorgang zur Herstellung der Bohrung derart gestaltet werden, dass durch Einsatz einer verkürzten Erodierelektrode die Maßhaltigkeit verbessert wird (verbesserte Formtoleranz). Denn aufgrund der verringerten Bearbeitungstiefe werden Schwingungen während des Bearbeitungsprozesses reduziert, so dass hieraus resultierende Formabweichungen, beispielsweise die Erzeugung eines tonnenförmigen Drosselabschnitts in der Tiefe des Ventilstücks, in deutlich geringerem Maße auftreten.
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Zusätzlich kann das Ventilschließelement vereinfacht werden. Beispielsweise kann das Ventilschließelement einen Ankerbolzen umfassen, der verkürzt ausgebildet ist, da eine zusätzliche Strömungskontur, in welche er Eintauchen könnte, entfällt. Dadurch können die Herstellungskosten des Schaltventils bzw. eines mit einem solchen Schaltventil ausgestatteten Kraftstoffinjektors weiter verringert werden.
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Durch den Entfall der zusätzlichen Strömungskontur schieben sich die Strömungselemente A-Drossel und Diffusor näher an die den Ventilsitz ausbildende Oberfläche des Ventilstücks. Dadurch können die Herstellungskosten verringert werden. Ferner führt der Entfall einer zwischen Diffusor und Ventilsitz vermittelnden Strömungskontur dazu, dass der als Diffusor dienende Abschnitt A2 der Bohrung im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein kann. Dadurch wird eine weitere Vereinfachung der Bohrungsgeometrie bewirkt. Im Wesentlichen zylinderförmig bedeutet vorliegend, dass beispielsweise die Abschnitssübergange weiterhin verrundet und/oder konisch verlaufend ausgebildet sein können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umschließen die Kontur des als Diffusor dienenden Abschnitts A2 der Bohrung und die den Ventilsitz ausbildende Kontur am Ventilstück einen Winkel α ≤ 90°. Dies wiederum setzt vorraus, dass der Ventilsitz als Flachsitz oder als Kegelsitz ausgebildet ist, wobei der Kegel als Positivform außen auf das Ventilstück aufgesetzt ist. Ein das Ventilstück in axialer Richtung überragender Ventilsitz besitzt den Vorteil, dass das Ventilschließelement hülsenförmig ausgebildet sein kann oder zumindest ein hülsenförmiges Bauteil umfasst. Damit einhergehende Vorteile werden weiter unten beschrieben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht der als Drossel dienende Abschnitt A1 der Bohrung über einen kegelförmigen Zwischenabschnitt A3 in den als Diffusor dienenden Abschnitt A2 über. An den Drosselabschnitt schließt sich somit zunächst ein zwischen Drosselabschnitt und Diffusorabschnitt vermittelnder Zwischenabschnitt an. Der Diffusorabschnitt kann dabei ebenfalls kegelförmig bzw. konisch verlaufend oder – wie vorstehend bereits erwähnt – zylinderförmig ausgebildet sein. Der Zwischenabschnitt A3 hilft einen scharfkantigen Übergang vom Drosselabschnitt A1 in den Diffusorabschnitt A2 zu vermeiden. Dies wiederum wirkt einer zu starken Wirbelbildung entgegen.
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Weiterhin bevorzugt umfasst das Schaltventil einen Elektromagneten zur Betätigung des Ventilschließelementes. Vorzugsweise ist demnach das Schaltventil als Magnetventil ausgebildet. Ein solches ermöglicht eine kostengünstige Ausführungs eines Kraftstoffinjektors.
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Darüber hinaus ist vorzugsweise das Schaltventil als ein im Wesentlichen druckausgeglichenes Ventil ausgebildet. Das heißt, dass das Ventilschließelement vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die am Schließelement anliegenden Druckkräfte im Wesentlichen in radialer und nicht in axialer Richtung wirksam sind. Dadurch sind zur Betätigung des Schließelementes nur geringe Schalt- bzw. Stellkräfte erforderlich. Das Betätigungsmittel, vorzugsweise ein Elektromagnet, kann demnach kleiner bzw. weniger stark ausgelegt sein. Bei druckausgeglichenen Ventilen ist das Ventilschließelement oder Teile des Ventilschließelementes oftmals hülsenförmig ausgebildet, so dass ein im Wesentlichen zylinderförmiger Druckraum ohne einen radial verlaufenden, als Druckstufe dienenden Absatz geschaffen wird. Ein solches Ventilschließelement ist insbesondere geeignet, mit einem als Flachsitz oder als Kegelsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenzuwirken, wobei der Kegelsitz dann dergestalt ist, dass er das Ventilstück überragt.
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Des Weiteren wird der Einsatz eines erfindungsgemäßen Schaltventils in einem Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, so dass Gegenstand der Erfindung des Weiteren ein Kraftstoffinjektor mit einem solchen Schaltventil ist, wobei das Schaltventil vorzugsweise als Magnetventil ausgebildet ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 ein Schaltventil mit einer schematisch dargestellten Ventilstückbohrung,
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2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Strömungskontur einer Ventilstückbohrung,
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3 eine erste erfindungsgemäße Strömungskontur einer Ventilstückbohrung,
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4 eine zweite erfindungsgemäße Strömungskontur einer Ventilstückbohrung und
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5 eine dritte erfindungsgemäße Strömungskontur einer Ventilstückbohrung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in 1 dargestellte Schaltventil ist Bestandteil eines Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Gezeigt ist jedoch nur ein Ausschnitt des Kraftstoffinjektors im Bereich des Schaltventils. Das Schaltventil ist als Magnetventil mit einem Elektromagenten 8 zur Betätigung eines Ventilschließelementes 3 ausgelegt. Als Ventilschließelement 3 dient ein mit dem Elektromagneten 8 zusammenwirkender Magnetanker, der eine Ankerplatte und einen hülsenförmigen Ansatz an der Ankerplatte umfasst. Der hülsenförmige Ansatz weist eine konisch ausgebildete Dichtkontur 9 auf, die mit einem ebenfalls konisch ausgebildeten Ventilsitz 2 zusammenwirkt. Die konische Form des Ventilsitzes 2 ergibt sich vorliegend aus einer kegelförmigen Erhebung 10 eines Ventilstücks 1, so dass der Ventilsitz 2 außerhalb des Ventilstücks 1 zu liegen kommt. Dies vereinfacht die Herstellung des Ventilsitzes, da die zur Herstellung eines Dichtsitzes zu bearbeitenden Konturen leicht zugänglich sind. Um das Ventilschließelement 3 in Anlage mit dem Ventilsitz 2 zu halten, wird dieses von der Druckkraft eines Federelementes 11 in Schließrichtung beaufschlagt. Zum Öffnen des Ventils wird der Elektromagnet 8 aktiviert, der bewirkt, dass der als Ventilschließelement 3 dienende Magnetanker entgegen der Druckkraft des Federelementes 11 in Richtung des Elektromagneten 8 bewegt wird. Dabei hebt das Ventilschließelement 3 von dem Ventilsitz 2 ab und öffnet das Schaltventil. Zur axialen Führung des Magnetankers ist ein in dem hülsenförmigen Ansatz des Magnetankers zumindest teilweise aufgenommener Ankerbolzen 12 vorgesehen, der unmittelbar oder – wie vorliegend dargestellt – mittelbar an einem Gehäuseteil 13 des Kraftstoffinjektors abgestützt ist. Zur mittelbaren Abstützung kann beispielsweise eine Einstellplatte 14 vorgesehen sein.
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Das zur Ausbildung des Ventilsitzes 2 dienende Ventilstück 1 des Schaltventils weist eine zentrale Bohrung 4 auf, welche in einen Steuerraum 15 mündet. Bei geöffnetem Schaltventil kann über die Bohrung 4 Kraftstoff aus dem Steuerraum 15 abströmen, so dass dieser entlastet wird bzw. ein im Steuerraum vorhandener Kraftstoffdruck abfällt. Die Bohrung 4 weist hierzu eine Drossel 5 auf, die innerhalb der Bohrung 4 in Form einer Querschnittsverengung ausgebildet ist.
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Wie 2 zu entnehmen ist, weist die Bohrung 4 neben der als Drossel 5 dienenden Querschnittsverengung weitere Abschnitte auf, die eine günstige Strömungskontur definieren sollen. Über die weiteren an die Drossel 5 anschließenden Abschnitte erfährt die Bohrung 4 eine stetige Erweiterung ihres Querschnitts. Zunächst schließt sich an die Drossel 5 ein als Diffusor 6 dienender Bereich an, der eine erste Querschnittserweiterung bewirkt. Hierauf folgt eine zusätzliche Strömungskontur 7 in Form einer Querschnittserweiterung, die in einen Ventilsitz 2 übergeht. Um zwischen den verschiedenen Querschnitten der Bohrung 4 zu vermitteln, sind die Übergangsbereiche jeweils konisch verlaufend ausgebildet. Dadurch soll einer zu starken Wirbelbildung entgegen gewirkt werden.
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Die Übergangsbereiche – in der 2 mit A und B gekennzeichnet – stellen zudem die am stärksten beanspruchten Stellen dar. Die Kraftstoffströmung einerseits sowie Kavitationserosion andererseits bewirken einen Materialabtrag. Der im Bereich A auftretende Materialabtrag kann zur Reduzierung der Festigkeit des Ventilstücks führen. Der im Bereich B auftretende Materialabtrag kann im ungünstigsten Fall eine Durchflussänderung und somit eine Änderung der Funktionsweise bewirken. Schließlich wird durch den Materialabtrag auch die Festigkeit des Ventilstücks verringert.
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Um die Strömungskontur weiter zu optimieren und damit auch Systemdrücke von mehr als 2000 bar zu ermöglichen, weist ein erfindungsgemäßes Schaltventil eine Bohrung 4 auf, die eine Querschnittsverengung zur Ausbildung einer Drossel 5 und eine hierauf folgende Querschnittserweiterung zur Ausbildung eines Diffusors 6 umfasst, wobei das Verhältnis der Länge L zum Durchmesser D der als Drossel 5 dienenden Querschnittsverengung größer 3 gewählt ist (siehe 3 bis 5). Somit ergibt sich ein gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannnten Strömungskontur deutlich verlängerter Drosselabschnitt A1, der innerhalb der Bohrung 4 eine Kraftstoffströmung mit reduziertem Materialabtrag bewirkt, so dass der Verschleiß gemindert und die Langzeitstabilität des Schaltventils erhöht werden kann.
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Aus dem Ausführungsbeispiel der 3 ist ferner ersichtlich, dass zwischen dem als Drossel 5 dienenden Abschnitt A1 und dem als Diffusor 6 dienenden Abschnitt A2 ein konisch verlaufender Zwischenabschnitt A3 ausgebildet ist, der zwischen den unterschiedlichen Querschnitten der Abschnitte A1 und A2 der Bohrung 4 vermittelt. Der Zwischenabschnitt A3 verhindert einen zu starken Strömungsabriss und vermindert somit die Wirbelbildung.
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3 zeigt auch, dass die Länge des als Diffusor 6 dienenden Abschnittes A2 im Vergleich zur Länge L des als Drossel 5 dienenden Abschnittes A1 deutlich verkürzt ist. Dadurch kann auf eine größere Abmessung des Ventilstücks 1 in axialer Richtung verzichtet werden, da durch eine Verkürzung des Abschnittes A2 die Verlängerung des Abschnittes A1 ausgeglichen werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 schließt sich an den als Diffusor 6 dienenden Abschnitt A2 der Bohrung 4 eine zusätzliche Strömungskontur 7 an, welche zwischen dem Diffusor 6 und einem an der Oberseite des Ventilstücks 1 ausgebildeten Ventilsitz 2 vermittelt. Durch die zusätzliche Strömungskontur 7 erhöht sich die Bearbeitungstiefe, so dass die Herstellung bzw. Bearbeitung der einzelnen Abschnitte der Bohrung 4 erschwert wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher vorgeschlagen, auf eine zusätzliche zwischen dem Diffusor 6 und dem Ventilsitz 2 vermittelnde Strömungskontur 7 zu verzichten. Dadurch wird die Bearbeitungstiefe der Bohrung 4 verringert (siehe 5) und die Formgenauigkeit der Drossel 5 und des Diffusors 6 verbessert. Ferner kann – wie ebenfalls in der 5 dargestellt – der Ankerbolzen des Ventilschließelementes 3 verkürzt ausgebildet werden, so dass auch die Herstellung bzw. Bearbeitung des Ventilschließelementes 3 vereinfacht wird. Durch den Entfall einer weiteren Kontur werden somit die Herstellungkosten verringert.
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Sämtliche dargestellte erfindungsgemäße Schaltventile weisen eine Bohrung 4 mit einer Drossel 5 auf, deren Durchmesser D dem Durchmesser einer üblichen Ablaufdrossel in einem Kraftstoffinjektor entspricht. Vorliegend beträgt der Durchmesser D beispielsweise 230 μm. Die Länge L kann demnach beispielsweise 1000 μm betragen, da dann das Verhältnis L/D > 3 beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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