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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Einspritzen von fluidem Brennstoff, wie Kraftstoff oder Gas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein bekanntes Einspritzventil für Kraftstoff (
DE 10 2011 006 202 A1 ) weist ein rohrförmiges Ventilgehäuse mit einem Kraftstoffzulauf und einem langgestreckten, hohlzylindrischen Ventilsitzkörper auf, der an dem vom Kraftstoffzulauf abgekehrten Ende des Ventilgehäuses aus diesem herausragt. Am gehäusefernen Ende des Ventilsitzkörpers sind eine Ventilöffnung und ein die Ventilöffnung umgebender Ventilsitz ausgebildet. Zum Steuern der Ventilöffnung ist im Ventilsitzkörper eine Ventilnadel axial geführt. Zum Schließen der Ventilöffnung greift eine Ventilschließfeder mit Zugkraft an der Ventilnadel an und setzt einen Schließkopf der Ventilnadel fluiddicht auf den Ventilsitz auf. Zum Freigeben der Ventilöffnung ist die Ventilnadel von einem piezoelektrischen Aktor beaufschlagt, der eine Druckkraft auf die Ventilnadel aufbringt, die den Schließkopf der Ventilnadel gegen die Zugkraft der Ventilschließfeder nach außen vom Ventilsitz abhebt. Am ventilsitzfernen Ende ist der Ventilsitzkörper von einem Innenrohr übergriff, das sich koaxial im Ventilgehäuse erstreckt, den piezoelektrischen Aktor und die Ventilschließfeder fluiddicht aufnimmt und mit dem Ventilgehäuse einen mit dem Kraftstoffzulauf in Verbindung stehenden ringförmigen Strömungskanal begrenzt. Der Strömungskanal mündet in einer Filterkammer mit einliegendem Filter. Die Filterkammer ist über Radialbohrungen im Ventilsitzkörper mit einer der Ventilöffnung vorgelagerten Ventilkammer verbunden.
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Das Einspritzventil wird üblicherweise in eine Zylinderkopfbohrung eines einen Brennraum eines Verbrennungsmotors abdeckenden Zylinderkopfs eingesetzt und ragt mit seinem Ventilöffnung und Ventilsitz aufweisenden, freien Ende in den Brennraum hinein. Eine auf dem Ventilsitzkörper im Abstand von dessen freien Ende gehaltene Dichtung dichtet den Ventilsitzkörper gegen die Bohrungswand der Zylinderbohrung ab, so dass die im Brennraum entstehenden heißen Verbrennungsgase nicht aus der Zylinderkopfbohrung austreten können und nur den Körperbereich des Ventilsitzkörpers vom freien Ende bis zur Dichtung beaufschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Einspritzen von fluidem Brennstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der zwischen Hülse und Ventilsitzkörper eingeschlossene Hohlraum eine Wärmeisolierung des von den heißen Verbrennungsgasen beaufschlagten Körperbereichs des Ventilsitzkörpers bildet, die den Wärmeeintrag der Verbrennungsgase in den Ventilsitzkörper reduziert. Durch diese Temperaturreduzierung am Ventilsitzkörper wird ein Überhitzen des Ventilsitzes mit den nachteiligen Folgen eines Härteverzugs und einer Härtereduzierung vermieden, die für Undichtigkeiten und Zumessungenauigkeiten des Einspritzventils ursächlich sind.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zur Verbesserung der Wärmedämmung der Hohlraum hermetisch verschlossen. Eine Optimierung der Wärmedämmung wird durch das Vorhandensein eines Vakuums im Hohlraum oder durch Füllen des Hohlraums mit einem schlecht wärmeleitenden Medium, wie Teflon oder Kohlenstoffdioxid, erreicht. Zur Erzeugung des Vakuums wird die Befestigung und Abdichtung der Hülse auf dem Ventilsitzkörper im Vakuum durchgeführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Hülse ein dünnwandiges Tiefziehteil aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Edelstahl 1.4310. Eine solche konstruktive Ausführung der Hülse unterstützt die Wärmeisolation des Ventilsitzkörpers gegenüber den heißen Verbrennungsgasen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist zur Gewinnung des Hohlraums der Ventilsitzkörper einen im Außendurchmesser reduzierten Körperabschnitt auf, der sich axial nahezu über den gesamten, den Verbrennungsgasen ausgesetzten Körperbereich des Ventilsitzkörpers erstreckt. Die Hülse überdeckt den durchmesserreduzierten Körperabschnitt, der eine am Ventilsitzkörper außen umlaufenden Nut darstellt, und ist beidseitig des durchmesserreduzierten Körperabschnitts auf dem Ventilsitzkörper dicht festgelegt.
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Die dichte Festlegung der Hülse auf dem Ventilsitzkörper erfolgt gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung durch Aufschweißen der beidseitig des durchmesserreduzierten Körperabschnitts liegenden Hülsenenden auf den Ventilsitzkörper. Die umlaufenden Schweißnähte stellen eine zuverlässige Abdichtung des Hohlraums sicher. Anstelle des Aufschweißens ist ein Aufpressen der Hülse auf den Ventilsitzkörper möglich. Bei einem solchen, Fertigungskosten sparenden Aufpressen muss zur Optimierung der Wärmeisolation des Ventilsitzkörpers die Dichtheit des Hohlraums durch eine geeignete Ausführung sichergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird auf die Schweißung der Hülse nahe dem Ventilsitz verzichtet und stattdessen ein umlaufender Dichtungsring zwischen dem ventilsitznahen Hülsenende und dem Ventilsitzkörper vorgesehen, der vorzugsweise unmittelbar an die Hülse angespritzt wird. Als Dichtungsmaterial wird ein hitzebeständiger Kunststoff, z.B. Teflon, verwendet. Der Einsatz eines solchen Dichtungsrings hat den Vorteil, dass, anders als beim Schweißen, keine Gefahr eines Schweißverzugs besteht und der Ventilsitzkörper vor Montage der Hülse komplett fertig bearbeitet werden kann. An oder nahe ihrem anderen Hülsenende wird die Hülse nach wie vor auf dem Ventilsitzkörper verschweißt oder verpresst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Ventils zum Einspritzen von fluidem Brennstoff in seiner Einbaulage in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Ventilausschnitts II in 1 mit einer Modifizierung des Ventils.
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Das in
1 im Längsschnitt nur mit seinem brennraumseitigen Ende dargestellte Einspritzventil für fluiden Brennstoff wird beispielsweise als Einspritzventil für Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Es kann aber auch Verwendung bei Gasmotoren oder Heizungsanlagen zum Zumessen von dosierten Gasmengen Verwendung finden. Ein komplettes Ventil dieser Art ist z.B. in der
DE 10 2011 006 202 A1 dargestellt und beschrieben.
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Das Ventil weist einen langgestreckten, hohlzylindrischen Ventilsitzkörper 11 auf, der an einem koaxialen Haltekörper 12 angeschweißt ist. Der Haltekörper 12 ist in ein hier nicht dargestelltes Ventilgehäuse eingeführt und in diesem festgelegt. Am gehäusefernen, brennraumseitigen Ende des Ventilsitzkörpers 11 sind am Ventilsitzkörper 11 eine Ventilöffnung 13 und ein die Ventilöffnung 13 umschließender Ventilsitz 14 ausgebildet. Zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung 13 wirkt der Ventilsitz 14 mit dem Schließkopf 151 einer Ventilnadel 15 zusammen. Die Ventilnadel 15 ist im Ventilsitzkörper 11 axial verschieblich geführt und in bekannter Weise von einer hier nicht dargestellten Ventilschließfeder mit ihrem Schließkopf 151 auf den Ventilsitz 14 aufgedrückt. Ein hier ebenfalls nicht dargestellter, piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor beaufschlagt bei seiner Aktivierung die Ventilnadel 15 mit einer Druckkraft und hebt den Schließkopf 151 gegen die Zugkraft der Ventilschließfeder nach außen vom Ventilsitz 14 ab. Mit Abheben des Schließkopfs 151 vom Ventilsitz 14 wird fluider Brennstoff, der in einer der Ventilöffnung 13 vorgelagerten Ventilkammer 16 unter Hochdruck steht, über die Ventilöffnung 13 fein zerstäubt in einen Brennraum 17 eingespritzt. Der in 1 ausschnittweise angedeutete Brennraum 17 ist beispielsweise in einen Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors integriert und stirnseitig von einem Zylinderkopf 18 abgeschlossen. Im Zylinderkopf 18 ist mindestens eine zum Brennraum 17 hin offene Aufnahmebohrung 19 vorhanden, in die das Ventil so eingesetzt ist, dass ein Teil des aus dem Ventilgehäuse 11 vorstehenden Haltekörpers 12 und der sich daran anschließende Ventilsitzkörper 11 in der Aufnahmebohrung 19 einliegen und das freie Ende des Ventilsitzkörpers 11 in den Brennraum 17 hineinragt. Im Axialabstand vom freien Ende des Ventilsitzkörpers 11 ist in den Ventilsitzkörper 11 eine Ringnut 20 eingestochen, in der eine Dichtung 21 einliegt. Die Dichtung 21 dichtet den Ventilsitzkörper 11 gegen die Bohrungswand der Aufnahmebohrung 19 ab, so dass heiße Verbrennungsgase aus dem Brennraum 17 nicht über die Aufnahmebohrung 19 abströmen können, jedoch den bis zur Dichtung 21 sich erstreckenden Körperbereich des Ventilsitzkörpers 11 umspülen.
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Um den Wärmeeintrag in den Ventilsitzkörper 11 durch die heißen Verbrennungsgase im Brennraum 17 zu reduzieren, ist auf den den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzten Körperbereich des Ventilsitzkörpers 11 eine Hülse 22 aufgesetzt, die zum Ventilsitzkörper 11 hin einen Hohlraum 22 einschließt, wobei bevorzugt der Verschluss des Hohlraums 22 durch die Hülse 23 hermetisch erfolgt. Zur Schaffung des Hohlraums 22 ist in den Ventilsitzkörper 11 ein Körperabschnitt 111 mit reduziertem Außendurchmesser eingearbeitet, der eine am Ventilsitzkörper 11 außen umlaufende Nut bildet und sich axial nahezu über den gesamten, den Verbrennungsgasen ausgesetzten Körperbereich des Ventilsitzkörpers 11 erstreckt. Die Hülse 23 überdeckt den durchmesserreduzierten Körperabschnitt 111 und ist mit ihren Hülsenenden auf voneinander abgekehrten Seiten des Körperabschnitts 111 auf dem Ventilsitzkörper 11 dicht festgelegt. Im Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt die Festlegung durch Verschweißen der Hülse 23 mit dem Ventilsitzkörper 15, wodurch eine brennraumferne Schweißnaht 24 und eine im Brennraum 17 liegende, brennraumseitige Schweißnaht 25 entsteht. Die Hülse 23 ist als dünnwandiges Tiefziehteil aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Edelstahl 1.4310, gefertigt. Im Hohlraum 22 herrscht vorzugsweise ein Vakuum. Das Vakuum lässt sich problemlos dadurch erzeugen, dass die Montage und Schweißung der Hülse 23 am Ventilsitzkörper 11 unter Vakuum erfolgt. Alternativ ist der Hohlraum 22 mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Stoff oder Medium gefüllt, der oder das schlecht wärmeleitend ist, also einen geringen Wärmeleitkoeffizienten besitzt. Beispiele dafür sind Teflon und Kohlenstoffdioxid.
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Gemäß einer Modifizierung des Ventils, wie sie im Ausschnitt II der 1 in 2 vergrößert dargestellt ist, ist die brennraumseitige Schweißnaht 25 entfallen und stattdessen am brennraumseitigen Hülsenende der Hülse 23 ein Dichtungsring 26 eingelegt. Der Dichtungsring 26 ist aus einem hitzebeständigen Kunststoff, z.B. Teflon, hergestellt und vorzugsweise direkt an die Hülse 23 angespritzt. Diese Abdichtung des brennraumseitigen Endes des Hohlraums 22 hat den Vorteil, dass, anders als beim Schweißen, kein Schweißverzug im Bereich des Ventilsitzes 14 auftreten kann und somit der Ventilsitzkörper 11 vor Montage der Hülse 23 komplett fertig bearbeitet werden kann.
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Wie hier nicht weiter dargestellt ist, kann die Hülse 23 auf beiden Seiten des durchmesserreduzierten Körperabschnitts 111 auch dadurch auf dem Ventilsitzkörper 11 festgelegt werden, dass die Hülsenenden auf dem Ventilsitzkörper 11 verpresst sind. Zur optimalen Wärmedämmung ist dabei für einen hermetischen Verschluss des Hohlraums 22 zu sorgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011006202 A1 [0002, 0014]
