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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs, mit einem dreiteiligen Ventilsitz sowie eine Brennkraftmaschine.
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Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bspw. sind sogenannte Mehrlochdüsen bekannt, bei denen in einem einteiligen Grundkörper mehrere Spritzlöcher vorgesehen sind. Alternativ sind wie z. B. aus der
DE 10 2015 201 109 A1 Injektoren bekannt, welche einen Grundkörper umfassen, an welchem eine Spritzlochscheibe fixiert ist. Die Fixierung erfolgt hierbei mittels Schweißen. Dadurch ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Spritzlochscheibe. Durch diese stoffschlüssige Verbindung werden jedoch beim Betrieb aufgrund des Innendrucks und eines Nadeleinschlags beim Schließen des Injektors Zugspannungen in den Spritzlochbereich eingeleitet. Dadurch muss der Spritzlochbereich neben der Funktion der Sprayaufbereitung auch eine Tragfunktion übernehmen. Insbesondere im Bereich der Spritzlöcher treten hierbei Zugspannungen auf, welche zu Rissen an den Spritzlöchern führen können und somit die Sprayaufbereitung und die Dichtheit des Injektors negativ beeinflussen können. Um dies zu vermeiden, können die Spritzlochscheiben bisher nur mit großen Einschränkungen bspw. hinsichtlich einer notwendigen Wandstärke im Spritzlochbereich oder einer geometrischen Form des Spritzlochs ausgelegt werden. Es wäre daher wünschenswert, einen Injektor zu haben, welcher derartige Einschränkungen bei der Auslegung von Spritzlöchern nicht aufweist, sodass die Spritzlöcher individuell für unterschiedliche Brennkraftmaschinen für eine optimale Sprayaufbereitung ausgelegt werden können, um insbesondere Verbrauch und Emissionen zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere zum Einspritzen eines Kraftstoffs in eine Brennkraftmaschine, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Spritzlochscheibe und insbesondere die Spritzlochgeometrie der Spritzlochscheibe, beliebig ausgelegt werden kann, ohne dass Rücksicht auf Einschränkungen, welche bspw. durch einen Nadelaufschlag oder dergleichen definiert werden, genommen werden muss. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor einen dreiteiligen Ventilsitz aufweist. Hierbei umfasst der Injektor einen Grundkörper mit einer Öffnung und einem Dichtsitz, eine Spritzlochscheibe und einen Klemmring. Wenigstens ein Spritzloch ist in der Spritzlochscheibe angeordnet. Die Spritzlochscheibe ist in der Öffnung des Grundkörpers angeordnet, wobei zwischen der Spritzlochscheibe und dem Grundkörper eine erste kraftschlüssige Verbindung vorhanden ist, ohne dass bei dieser ersten Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung vorhanden ist. Ferner ist zwischen dem Grundkörper und dem Klemmring eine zweite kraftschlüssige Verbindung vorhanden, ohne dass zwischen dem Klemmring und dem Grundkörper eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist. Somit kann die Spritzlochscheibe individuell ausgelegt werden und eine Fixierung erfolgt lediglich durch Kraftschluss und nicht durch Stoffschluss wie z. B. mittels einer Schweißverbindung oder dergleichen, wie im Stand der Technik. Dies gilt ebenfalls für die zweite kraftschlüssige Verbindung zwischen Grundkörper und Klemmring. Der Grundkörper dient somit als Träger sowohl für die Spritzlochscheibe als auch den Klemmring. Der Grundkörper selbst kann dann bspw. mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit einem weiteren Injektorbauteil, insbesondere einer Ventilhülse oder dergleichen, verbunden werden. Da am Grundkörper der Dichtsitz angeordnet ist und keine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Spritzlochscheibe und dem Grundkörper vorhanden ist, ist ausgeschlossen, dass der Nadeleinschlag am Dichtsitz zu Zugspannungen in der Spritzlochscheibe führt. Somit kann durch das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip eine strukturmechanische Entkopplung zwischen Spritzlochscheibe und Grundkörper erreicht werden. Die Spritzlochscheibe ist somit nur noch einer Beanspruchung durch einen Innendruck des Fluids, insbesondere des Kraftstoffs, ausgesetzt und unterliegt ausschließlich Druckspannungen. Durch die zweite kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Klemmring und dem Grundkörper übt der Klemmring somit eine radial nach innen gerichtete Kraft aus, welche auch noch auf die erste Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Spritzlochscheibe wirkt. Somit kann eine besonders druckdichte nicht stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Spritzlochscheibe erreicht werden. Eine Schwingbeanspruchung der Spritzlochscheibe mit Zugspannungen, wie im Stand der Technik bei einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Spritzlochscheibe und Grundkörper, ist signifikant reduziert bzw. kann ebenfalls vollständig vermieden werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise sind der Klemmring und die Spritzlochscheibe derart angeordnet, dass eine Ebene, welche senkrecht zu einer Mittelachse X-X des Injektors ist, sowohl die Spritzlochscheibe als auch den Klemmring schneidet.
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Der Grundkörper weist vorzugsweise einen am äußeren Umfang vorgesehenen Absatz auf, an welchem der Klemmring angeordnet ist.
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Weiter bevorzugt ist eine Dicke des Klemmrings gleich einer Dicke der Spritzlochscheibe. Bevorzugt sind dabei der Klemmring und die Spritzlochscheibe in Axialrichtung X-X des Injektors auf gleicher Höhe angeordnet, so dass die vollständige Klemmkraft des Klemmrings in Radialrichtung auch auf die erste Verbindung zwischen der Spritzlochscheibe und dem Grundkörper wirkt.
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Eine Teileanzahl des Injektors kann reduziert werden, wenn vorzugsweise zusätzlich ein Führungsbereich zur Nadelführung am Grundkörper angeordnet ist. Die Nadelführung dient zur Führung einer Ventilnadel oder dergleichen, welche am Dichtsitz des Grundkörpers abdichtet und die Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe somit freigibt und verschließt.
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Vorzugsweise ist die Öffnung im Grundkörper, in welcher die Spritzlochscheibe angeordnet ist, sich verjüngend ausgebildet und insbesondere konisch ausgebildet. Die äußere Umfangskontur der Spritzlochscheibe ist hierbei komplementär zur Geometrie der Öffnung im Grundkörper ausgebildet. Alternativ ist die Öffnung im Grundkörper zylindrisch ausgebildet und der Außenumfang der Spritzlochscheibe ist ebenfalls zylindrisch ausgebildet.
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Weiter bevorzugt ist eine Außenkontur der Spritzlochscheibe, welche an einer Außenseite des Injektors liegt, konkav oder konvex vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass abhängig von der Position des Injektors in einer Brennkraftmaschine, bspw. unmittelbar in einem Brennraum oder bei Anordnung in einem Saugrohr oder einer anderen Position in der Brennkraftmaschine eine optimale Außenkontor der Spritzlochscheibe gewählt werden kann, ohne dass hierbei auf Festigkeitsanforderungen wie im Stand der Technik bei stoffschlüssiger Verbindung zwischen Spritzlochscheibe und Grundkörper geachtet werden muss.
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Ein weiterer großer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass für den dreiteiligen Ventilsitz jeweils für jedes Bauteil ein unterschiedliches Material vorgesehen werden kann. Hierdurch kann eine optimale Anpassung der Materialien an die jeweiligen Anforderungen ermöglicht werden, ohne dass hierbei Rücksicht genommen werden muss, ob die Materialien miteinander stoffschlüssig, z. B. mittels Schweißen, verbunden werden können oder nicht.
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Weiter bevorzugt ist ein Schweißbereich am Grundkörper vorgesehen, um den Grundkörper mit einem weiteren Injektorbauteil, insbesondere einer Ventilhülse, zu verbinden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Spritzlochscheibe am Außenumfang an einer Austrittsseite einen Absatz auf. Durch das Vorsehen des Absatzes kann die Kontaktfläche und damit die Kontaktpressung unabhängig von der Wandstärke der Spritzlochscheibe ausgelegt /eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich wäre auch eine Fase an der Spritzlochscheibe oder am Grundkörper möglich.
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Vorzugsweise sind die Spritzlöcher in der Spritzlochscheibe zylindrisch oder mit einer Vorstufe versehen oder verlaufen sich verjüngend. Es sei angemerkt, dass die Geometrie der Spritzlöcher hierbei beliebig gewählt werden kann.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine umfassend einen erfindungsgemäßen Injektor. Der Injektor ist besonders bevorzugt zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere Benzin, ausgelegt.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionale Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Schnittansicht, welche die Kraftverteilung an dreiteiligem Dichtsitz verdeutlicht, und
- 3 bis 6 verschiedene Ausführungsbeispiele unterschiedlicher kraftschlüssiger Verbindungen zwischen einem Grundkörper und einer Spritzlochscheibe.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 einen dreiteiligen Ventilsitz umfassend einen Grundkörper 2, eine Spritzlochscheibe 3 und einen Klemmring 4.
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Ferner umfasst der Injektor eine Ventilnadel 7 und eine Ventilhülse 8. Der Grundkörper 2 ist mittels einer Schweißverbindung 9 mit der Ventilhülse 8 verbunden.
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Der Grundkörper 2 weist ferner eine zentrale Öffnung 21 auf, in welcher die Spritzlochscheibe 3 aufgenommen ist.
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Zwischen dem Grundkörper 2 und der Spritzlochscheibe 3 ist eine erste kraftschlüssige Verbindung 5 vorgesehen. Ferner ist zwischen dem Grundkörper 2 und dem Klemmring 4 eine zweite kraftschlüssige Verbindung 6 vorgesehen.
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Am Grundkörper 2 ist ferner ein Dichtsitz 20 ausgebildet, an welchem die Ventilnadel 7 abdichtet bzw. Spritzlöcher 30, welche in der Spritzlochscheibe 3 angeordnet sind, freigibt, sodass Kraftstoff über die Spritzlöcher 30 in einen Brennraum 10 eingespritzt werden kann.
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Am Grundkörper 2 ist ferner ein Führungsbereich 22 vorgesehen, welcher parallel zu einer Axialrichtung X-X des Injektors ausgerichtet ist. Der Führungsbereich 22 dient zur Führung der Ventilnadel 7. Hierzu weist die Ventilnadel 7 mehrere Führungselemente 70 auf. Kraftstoff kann dabei zwischen den einzelnen Führungselementen 70 bis zur Spritzlochscheibe 3 hindurchströmen. Alternativ kann auch eine zylindrische Nadel ohne Führungselemente verwendet werden. Die Führungselemente müssen dann im Grundkörper liegen.
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Wie in 1 dargestellt, weist der Grundkörper 2 ferner einen Absatz 23 auf, welcher zur Aufnahme des Klemmrings 4 dient. Der Absatz 23 ist dabei derart ausgebildet, dass der Klemmring 4 vollständig ohne Überstand am Grundkörper 2 angeordnet werden kann.
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Ein Schweißbereich 24 des Grundkörpers 2 dient zur Fixierung an der Ventilhülse 8.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, wird nun durch die zweite kraftschlüssige Verbindung 6 zwischen dem Klemmring 4 und dem Grundkörper 2 eine radial nach innen gerichtete Klemmkraft F1 ausgeübt. Hierdurch wird an der ersten kraftschlüssigen Verbindung 5 zwischen der Spritzlochscheibe 3 und dem Grundkörper 2 eine Gegenkraft F2 erzeugt. Die erste und zweite kraftschlüssige Verbindung 5, 6 sind durch Pressverbindungen realisiert. Durch die erste Klemmkraft F1 wird somit der Grundkörper 2 radial innerhalb des Klemmrings 4 elastisch zusammengedrückt, sodass die Spritzlochscheibe 3 druckdicht in der Öffnung 21 im Grundkörper 2 sitzt.
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Da keine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Spritzlochscheibe 3 und dem Grundkörper 2 vorhanden ist, ist ausgeschlossen, dass ein Nadelanschlag der Ventilnadel 7 Zugspannungen in der Spritzlochscheibe 3 hervorruft. Dies ist im Detail aus 2 ersichtlich. Die Ventilnadel 7 schlägt beim Schließvorgang auf den Dichtsitz 20 am Grundkörper 2 auf. Dadurch wird die Spritzlochscheibe 3 nicht belastet. Am Grundkörper 2 treten, wie in 2 schematisch dargestellt, durch den Nadelaufschlag kleinere Zugspannungen Z auf, welche jedoch nicht in der Spritzlochscheibe 3 vorhanden sind. Die Spritzlochscheibe 3 wird durch die radial nach innen gerichteten Kräfte lediglich durch Druckspannungen D, nicht jedoch durch Zugspannungen Z belastet. Dies ist in 2 schematisch dargestellt.
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Im geöffneten Zustand des Injektors wirken lediglich Kräfte des Kraftstoffdrucks p auf die Spritzlochscheibe 3. Im geschlossenen Zustand wirken keine Kraftstoffdrücke p auf die Spritzlochscheibe 3.
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In diesem Punkt unterscheidet sich die vorliegende Erfindung grundlegend und sehr vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik. Durch das Konstruktionsprinzip des Vorsehens eines dreiteiligen Bauteils, welches lediglich über kraftschlüssige Verbindungen 5, 6 verbunden ist, wird eine strukturmechanische Entkoppelung für die Spritzlochscheibe 3 realisiert. Die Kraft des Nadeleinschlags der Ventilnadel 7 wird vollständig über den massiv ausgeführten Grundkörper 2 aufgenommen. Bei geöffnetem Ventil unterliegt die Spritzlochscheibe 3 somit nur noch dem Kraftstoffdruck p. Schwingbeanspruchungen, die Zugspannungen in der Spritzlochscheibe 3 durch den Nadeleinschlag hervorrufen und eventuelle Preller oder dergleichen, sind entscheidet minimiert bzw. eliminiert.
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Somit kann sehr vorteilhaft bei einer Auslegung der Spritzlochscheibe 3 bspw. eine geringere Wandstärke zwischen benachbarten Spritzlöchern 30 vorgesehen werden als im Stand der Technik. Dies ermöglicht kürzere Spritzlöcher und damit eine weiter verbesserte Gemischaufbereitung mit Vorteilen hinsichtlich Verbrauch und Emission.
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Weiterhin sind mit der Erfindung auch die für kommende Brennkraftmaschinen-Generationen notwendigen höheren Systemdrücke bei steigenden Lebensdaueranforderungen möglich. Somit wird die Spritzlochgestaltung von Beschränkungen befreit, die bisher aus Festigkeitsgründen noch vorhanden waren.
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Weiterhin kann auch das Material der Spritzlochscheibe 3 unterschiedlich vom Material des Grundkörpers 2 und unterschiedlich vom Material des Klemmrings 4 gewählt werden. Bspw. kann für den Grundkörper 2 ein Material gewählt werden, welches eine gute Schweißneigung aufweist, um eine Anbindung des dreiteiligen Ventilsitzes an eine Ventilhülse 8 oder ein Gehäuse oder dergleichen zu ermöglichen. Für die Spritzlochscheibe 3 kann bspw. ein gut zerspanbares Material ausgewählt werden. Die im Stand der Technik bisher vorhandenen Zielkonflikte bei der Materialauswahl hinsichtlich einer notwendigen Schwingfestigkeit des Ventilsitzes und einer Korrosionsbeständigkeit der Spritzlochscheibe werden umgangen.
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Wie in 1 dargestellt, ist eine erste Dicke D1 der Spritzlochscheibe gleich einer zweiten Dicke D2 des Klemmrings 4. Hierdurch wird ermöglicht, dass die gesamte Außenumfangsfläche der Spritzlochscheibe 3 zur Krafteinleitung, welche durch die Klemmkraft des Klemmrings 4 radial nach innen ausgeübt wird, dient. Wie weiter in 1 gezeigt, sind dabei die Spritzlochscheibe 3 und der Klemmring 4 auf einer gemeinsamen Ebene E, welche senkrecht zur Axialrichtung X-X ist, angeordnet.
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Die 3 bis 6 zeigen weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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In 3 ist die erste kraftschlüssige Verbindung 5 mit einer sich verjüngenden geometrischen Form vorgesehen. Hierbei verjüngt sich die erste kraftschlüssige Verbindung 5 in Durchströmungsrichtung 12 durch die Spritzlochscheibe 3. Die Spritzlöcher 30 sind zylindrisch ausgebildet. Die Spritzlöcher können jedoch auch konisch ausgebildet sein. Weiterhin ist eine Kombination aus Spritzloch und Vorstufenbohrung möglich.
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Bei der in 4 gezeigten Ausgestaltung ist die erste kraftschlüssige Verbindung 5 zylindrisch ausgeführt. Hierbei weist die Spritzlochscheibe 3 an einem zum Brennraum 10 gerichteten Ende einen Rücksprung 31 auf. Hierdurch wird eine Krafteinleitung der kraftschlüssigen Verbindung bei Montage durch den Klemmring 4 auf eine kleinere Fläche verteilt.
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Die 5 zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine zum Brennraum 10 gerichtete Fläche 11 der Spritzlochscheibe 3 konkav ausgebildet ist.
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6 zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine zum Brennraum 10 gerichtete Fläche 11 der Spritzlochscheibe 3 konvex ausgebildet ist.
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Somit kann, wie in allen Ausführungsbeispielen dargestellt, ein dreiteiliger Ventilsitz umfassend einen Grundkörper 2, eine Spritzlochscheibe 3 und einen Klemmring 4 bereitgestellt werden. Dabei werden in der Spritzlochscheibe im Betrieb des Injektors ausschließlich Druckspannungen D erzeugt und keine Zugspannungen Z. Der am Außenumfang des Grundkörpers 2 angeordnete Klemmring 4 erzeugt eine zusätzliche Klemmkraft an der ersten kraftschlüssigen Verbindung 5, um eine druckdichte Anordnung der Spritzlochscheibe 3 im Grundkörper 2 zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201109 A1 [0002]
