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Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Abgabe eines Hochdruck-Fluidstrahls mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Der Injektor ist geeignet, einen mit Hochdruck beaufschlagten Fluidstrahl abzugeben, wobei der Hochdruck bevorzugt durch eine Hochdruckpumpe erzeugt wird, mit welcher der Injektor unmittelbar oder mittelbar über einen Hochdruckspeicher verbunden ist.
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Derartige Injektoren sind sowohl aus dem Bereich der Kraftstoffeinspritzung, als auch aus dem Bereich des Wasserstrahlschneidens bekannt, so dass sich die Erfindung ferner auf ein Kraftstoffeinspritzsystem sowie eine Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden jeweils mit einem erfindungsgemäßen Injektor bezieht.
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Stand der Technik
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Bei Injektoren, wie beispielsweise Common-Rail-Injektoren, können Verunreinigungen, wie beispielsweise Wasser im Kraftstoff, zu einer korrosiven Schädigung der in Kontakt mit dem verunreinigten Kraftstoff stehenden Oberflächen führen. Zugleich werden Bauteiltoleranzen immer kleiner, um beispielsweise über eng ausgelegte Führungsspiele geringe Leckagemengen zu erzielen. Dadurch wächst die Bauteilempfindlichkeit in Bezug auf Oberflächenfehler und/oder im Fluid enthaltene Partikel, die jeweils durch Korrosion verursacht sein können.
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Im normalen Betrieb eines Common-Rail-Injektors bewirkt der Dieselkraftstoff einen Korrosionsschutz der Bauteile. Ist jedoch der Dieselkraftstoff verunreinigt, beispielsweise durch Partikel, die insbesondere aus einem Kraftstofftank stammen können, und/oder durch Kondensation von Wasser, ist kein ausreichender Korrosionsschutz mehr gewährleistet.
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In Wasserstrahlschneidanlagen kann ein Korrosionsschutz des Injektors dadurch bewirkt werden, dass anstelle von reinem Wasser entmineralisiertes Wasser als Fluid eingesetzt wird. Alternativ können die mit dem Wasser in Kontakt gelangenden Bauteile aus einem nichtrostenden Material gefertigt werden. Ferner kann dem Wasser ein Korrosionsschutz zugegeben werden. Diese Lösungen sind jedoch aufwendig und teuer.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor zur Abgabe eines Hochdruck-Fluidstrahls anzugeben, der vor Korrosion geschützt sowie einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zur Abgabe eines Hochdruck-Fluidstrahls vorgeschlagene Injektor umfasst mindestens ein Körperbauteil, das in zumindest einem Bereich, vorzugsweise im Bereich einer Führung und/oder eines Sitzes für ein hubbewegliches weiteres Bauteil, in Kontakt mit dem Fluid steht und der Korrosion ausgesetzt ist. Um dieses Körperbauteil vor Korrosion zu schützen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass innerhalb des Injektors mindestens eine Opferanode ausgebildet ist, die zum einen unmittelbar und zum anderen mittelbar über das Fluid in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Körperbauteil steht.
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Der Einsatz einer Opferanode zum Schutz eines metallischen und damit korrosionsempfindlichen Bauteils ist grundsätzlich bekannt. Die Opferanode ist hierzu aus einem metallischen Material gebildet, das gegenüber dem metallischen Material des zu schützenden Bauteils „unedler“ ist, wobei sich die Abstufung aus der elektrochemischen Spannungsreihe ergibt. Aufgrund des unedleren Materials wird die Opferanode im Laufe der Zeit durch Korrosion zerstört, während das schutzbedürftige Bauteil aus dem edleren Material nicht beschädigt wird. Auf diese Weise bleibt die Funktion des schutzbedürftigen Bauteils über einen langen Zeitraum erhalten. Reparaturen und/oder der Austausch von aufwendig zu fertigenden korrosionsanfälligen Bauteilen kann somit aufgeschoben oder gänzlich vermieden werden. Das heißt, dass die Lebensdauer des Injektors steigt.
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Bei dem vorgeschlagenen Injektor dient die Opferanode dem Schutz mindestens eines Körperbauteils, das zumindest einen Bereich besitzt, der besonders empfindlich gegenüber Korrosion ist. Hierbei handelt es sich insbesondere um den Bereich einer Führung und/oder eines Sitzes für ein hubbewegliches Bauteil. Denn eine Beschädigung der Oberfläche des Bauteils im Bereich einer Führung und/oder eines Sitzes kann nicht nur zu einer Funktionsbeeinträchtigung, sondern zu einem Totalausfall des Injektors führen.
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Das zu schützende Körperbauteil kann dabei insbesondere aus Eisen, Stahl und/oder einer sonstigen eisenhaltigen Legierung gefertigt sein. Da gegenüber diesen Materialien Materialien wie beispielsweise Kupfer, Zink, Magnesium als „unedler“ einzustufen sind, wird vorgeschlagen, dass die Opferanode aus Kupfer, Zink oder Magnesium besteht.
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Zum Schutz des Körperbauteils vor Korrosion ist die Opferanode mit dem Körperbauteil elektrisch leitend verbunden. Das heißt, dass die Opferanode in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Körperbauteil steht. Ferner ist ein elektrisch leitender Kontakt über das Fluid gegeben, das als Elektrolyt dient und somit den Stromkreis schließt.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Opferanode durch eine zumindest bereichsweise Beschichtung des Körperbauteils ausgebildet. Da die Beschichtung unmittelbar auf dem zu schützenden Körperbauteil aufgebracht wird, ist hierüber der erforderliche elektrisch leitende Kontakt zwischen der Opferanode und dem Körperbauteil sichergestellt.
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Im Unterschied zu einer Korrosionsschutzschicht, die unmittelbar auf der zu schützenden Oberfläche aufgebracht wird, kann die Opferanoden-Beschichtung in einem Oberflächenbereich angeordnet werden, der entfernt von dem schutzwürdigen Bereich liegt. Das heißt, dass der schutzwürdige Bereich, bei dem es sich insbesondere um einen besonders engen Bautoleranzen unterliegenden Führungs- und/oder Sitzbereich handeln kann, selbst frei von einer solchen Beschichtung bleibt. Die Ausbildung der Opferanoden-Beschichtung erschwert somit nicht die Fertigung des Körperbauteils.
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Bevorzugt weist die Opferanoden-Beschichtung eine Schichtdicke von 10-100 µm auf. Weiterhin bevorzugt beträgt die Schichtdicke 20-80 µm. Hierbei handelt es sich um Schichtdicken, die einen für die bevorzugte Anwendung des Injektors ausreichend langen Korrosionsschutz gewähren, bevor sie vollständig zerstört werden. Durch den längeren Einsatz des Injektors werden Rüstzeiten verringert und Kosten eingespart.
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Die vorgeschlagene Beschichtung zur Ausbildung der Opferanode kann insbesondere mittels eines galvanischen Verfahrens, einer elektrostatischen Beschichtung, einer Plasmabeschichtung oder einer Tauschbeschichtung auf das zu schützende Körperbauteil aufgebracht worden sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Opferanode durch ein separates Bauteil ausgebildet, das kraft,- form- und/oder stoffschlüssig mit dem Körperbauteil verbunden ist. Beispielsweise kann das als Opferanode dienende Bauteil mit dem Körperbauteil über eine Steck-, Klemm-, Rast-, Press-, Schraub-, Schweiß- und/oder Klebeverbindung verbunden sein. Die optimale Art der Verbindung hängt unter anderem von der konkreten Ausgestaltung des Körperbauteils und/oder der Opferanode ab. Die Opferanode kann beispielweise durch ein Bauteil ausgebildet werden, das als Hülse, Folie, Stift oder Bolzen ausgeführt ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das zu schützende Körperbauteil ein Düsenkörper ist, der eine mit Hochdruck beaufschlagbare zentrale Bohrung besitzt, innerhalb welcher eine Führung und/oder ein Sitz für ein hubbewegliches Bauteil, insbesondere für eine Düsennadel, ausgebildet ist. Die Opferanode dient dann dem Schutz der Führung und/oder des Sitzes, so dass die Hubbewegung der Düsennadel nicht durch Korrosion an den Führungsflächen oder den Sitzflächen beeinträchtigt wird. Ferner ist sichergestellt, dass der Injektor dicht schließt.
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Bevorzugt ist die Opferanode innerhalb der Bohrung des Düsenkörpers ausgebildet, da diese im Betrieb des Injektors von dem Fluid beaufschlagt ist. Beispielsweise kann die Opferanode durch eine in die Bohrung eingesetzte, vorzugsweise eingepresste, Hülse ausgebildet werden. Diese Maßnahme lässt sich besonders einfach und weitgehend kostenneutral umsetzen. Zudem wird die Funktion des Injektors durch die eingesetzte bzw. eingepresste Hülse nicht beeinträchtigt.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Körperbauteil eine Ventilplatte ist, die eine Führung und/oder einen Sitz für ein hubbewegliches Bauteil, insbesondere für ein Ventilglied eines Steuerventils, ausbildet. Durch die in oder an der Ventilplatte ausgebildete Opferanode wird bzw. werden die Führung und/oder der Sitz vor Korrosion geschützt, so dass die Funktion des Steuerventils, das vorzugsweise der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel dient, nicht beeinträchtigt wird.
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Zur Ausbildung der Opferanode kann beispielsweise die Ventilplatte außenumfangseitig zumindest abschnittsweise von einer die Opferanode ausbildenden Beschichtung oder Hülse umgeben sein. Hierbei ist sicherzustellen, dass die Beschichtung bzw. Hülse von dem als Elektrolyt dienenden Fluid beaufschlagt wird. Die als Hülse ausgebildete Opferanode kann beispielsweise auf die Ventilplatte aufgepresst sein, so dass die Fertigung der Ventilplatte nicht erschwert wird.
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Darüber hinaus wird ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen eines flüssigen und/oder gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor vorgeschlagen, da die hierin eine bevorzugte Anwendung des Injektors gesehen wird. Die gesteigerte Lebensdauer des Injektors wirkt sich als Vorteil in Bezug auf das Kraftstoffeinspritzsystem aus, da dadurch die Zuverlässigkeit des Systems steigt.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden mit einem erfindungsgemäßen Injektor vorgeschlagen. In dieser bevorzugten Anwendung wird der Injektor zur Abgabe eines Hochdruck-Wasserstrahls eingesetzt, mittels dessen ein Werkstoff oder eine Werkstückoberfläche gereinigt oder erosiv bearbeitet wird. Dank des korrosionsgeschützten Injektors kann nicht entmineralisiertes Wasser verwendet werden, so dass die Vorrichtung kostengünstig betreibbar ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 a) einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor, b) einen vergrößerten Ausschnitt des Injektors im Bereich eines Düsenkörper und
- 2 a) einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor, b) einen vergrößerten Ausschnitt des Injektors im Bereich einer Ventilplatte.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1a) dargestellte erfindungsgemäße Injektor 1 ist aus mehreren Körperbauteilen zusammengesetzt, wobei ein erstes Körperbauteil 2 durch einen Düsenkörper gebildet wird, in dem eine Bohrung 9 ausgebildet ist, innerhalb welcher eine Führung 4 und ein Sitz 5 für ein hubbewegliches Bauteil 6 in Form einer Düsennadel ausgebildet sind. An den Düsenkörper 2 schließen sich eine Drosselplatte 11 und eine Ventilplatte 3 als weitere Körperbauteile an, wobei die Ventilplatte wiederum eine Führung 4 und einen Sitz 5 für ein hubbewegliches Bauteil 7 in Form eines Ventilglieds ausbildet (analog der 2b)). Die Körperbauteile 2, 11, 3 sind über eine Düsenspannmutter 12 mit einem weiteren Körperbauteil 13, dem sogenannten Haltekörper, axial verspannt. Der Haltekörper nimmt einen Aktor 14 zur Betätigung des Injektors 1 auf, der vorliegend als Piezoaktor ausgeführt ist.
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Wie der 1b) zu entnehmen ist, ist in die Bohrung 9 des Düsenkörpers 2 eine Hülse eingepresst, die aus einem unedleren Material als der Düsenkörper 2 selbst gefertigt ist, so dass die Hülse eine Opferanode 8 ausbildet. Durch den Presssitz steht die Hülse in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Düsenkörper 2. Im Betrieb des Injektors 1 besteht ferner ein elektrisch leitender Kontakt über ein Fluid, das über die im Düsenkörper 2 ausgebildete Bohrung 9 einer Einspritzöffnung 15 zum Austragen des Fluids zugeführt wird. Das Fluid bildet somit ein Elektrolyt aus, das einen Stromkreis schließt, so dass die Funktion der Hülse als Opferanode 8 gesichert ist.
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In der 2a) ist ein weiterer erfindungsgemäßer Injektor dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem der 1a) im Wesentlichen dadurch, dass die Opferanode 8 als außenumfangseitige Beschichtung an der Ventilplatte 3 ausgebildet ist (siehe 2b)). Die Beschichtung ist demnach aus einem unedleren Material als die Ventilplatte 3 selbst gefertigt und steht über das Fluid in einem zusätzlichen elektrisch leitenden Kontakt mit der Ventilplatte 3. Auf diese Weise schützt die außenumfangseitig aufgebrachte Beschichtung die in der Ventilplatte 3 ausgebildete Führung 4 bzw. den in der Ventilplatte 3 ausgebildeten Sitz 4 für das hubbewegliche Ventilglied 7. Das Ventilglied 7 ist Bestandteil eines Steuerventils 10, das der Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel 6 und damit der Steuerung der Einspritzung dient. Je nach Schaltstellung des Ventilglieds 7 wird ein Steuerraum druckbeaufschlagt oder entlastet, so dass auf die Düsennadel 6 ein unterschiedlicher Steuerdruck wirkt. Der durch die Opferanode 8 bewirkte Korrosionsschutz der Führung 4 und/oder des Sitzes 5 der Ventilplatte 3 erhöht somit die Funktionssicherheit des Steuerventils 10 und in der Folge die Funktionssicherheit des Injektors 1.
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Bei den in den 1 und 2 dargestellten Injektoren kann es sich sowohl um Kraftstoffinjektoren handeln, als auch um solche, die beim Wasserstrahlschneiden eingesetzt werden.
