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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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In den
1,
2a,
2b und
2c sind Ausführungsformen von bekannten Ventilsitzkörpern gezeigt. Dabei zeigen die
2a,
2b und
2c in schematischen Darstellungen drei grundsätzliche typische Bauarten von Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörpern. Während bei der bekannten und bewährten Lösung gemäß
2c der Ventilsitzkörper mit einer ebenen und flachen Stirnfläche das stromabwärtige Ventilende des Brennstoffeinspritzventils zum Brennraum hin abschließt, sind bei den ebenfalls bekannten Lösungen gemäß
2a und
2b die Ventilsitzkörper mit einem die Abspritzöffnungen umfassenden, kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden Mittenbereich des Ventilsitzkörpers ausgestaltet. Entweder handelt es sich dabei um eine Kegelkuppe mit einer konischen Mantelfläche im Mittenbereich (z.B.
DE 10 2013 219 027 A1 ) oder um eine Kugelkuppe mit einer sphärisch konvex nach außen verlaufenden Wölbung (z.B.
EP 2 333 306 A1 ). In beiden Fällen geht der kuppenartige Mittenbereich des Ventilsitzkörpers fließend und in stetigem Fortgang in eine ebene und flache Stirnfläche des Ventilsitzkörpers über.
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Bei derartigen Ventilsitzkörpern ist der gesamte Kuppenbereich ein festigkeitskritischer Bereich. Er wird beansprucht durch den millionenfachen Einschlag der Ventilnadel mit seinem Ventilschließkörper. Außerdem wirkt der Systemdruck des Brennstoffs auf die gesamte Innenseite des kuppenartigen Mittenbereichs vollflächig. Diese Lasten wirken mit dem Risiko einer Verbiegung des Kuppenbereichs mit negativem Einfluss auf die Qualität der Ventilsitzfläche, auf die Dichtheitsanforderungen und die Dauerfestigkeit des Ventilsitzkörpers in diesem Bereich.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Zumessen eines Fluids mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat neben der einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit zahlreiche weitere Vorteile. Erfindungsgemäß ist ein kuppenartig axial hervorstehender Mittenbereich des Ventilsitzkörpers des Ventils, insbesondere Brennstoffeinspritzventils so ausgeführt, dass er eine mehrfach gewölbte Außenkontur hat, die dadurch entsteht, dass eine ringförmig umlaufende, innere Senke und eine ringförmig umlaufende, äußere Senke ausgebildet sind, wobei die innere Senke Teil der Kuppe ist und die Kuppe radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen in der vertieften äußeren Senke endet, von der aus sich nach radial außen ein wiederum axial hervorstehender Randbereich des Ventilsitzkörpers anschließt.
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Gegenüber kuppenartigen Mittenbereichen von Ventilsitzkörpern nach dem Stand der Technik reduzieren sich die festigkeitsrelevanten Spannungen wirkungsvoll. Durch die konstruktive Trennung zwischen dem Bereich der Lastableitung („Fundament“ des Randbereichs) und dem Bereich für die Abspritzöffnungen („Funktionsbereich“) ergibt sich für den kuppenartigen Mittenbereich eine deutlich höhere Beanspruchbarkeit des Kuppenzentrums.
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Dank der hohen Beanspruchbarkeit ist es möglich, die Wandstärke des kuppenartigen Mittenbereichs radial innen zu reduzieren, ohne dabei das Risiko eines Schwingbruches zu vergrößern. So ist es denkbar, eine geringe Wandstärke im Mittenbereich von nur 200 bis 300 µm zu realisieren. Im Bereich der Abspritzöffnungen kann dagegen durch Aufdickungen die Kuppenwandstärke erhöht werden, wodurch insgesamt die Festigkeit des Ventilsitzkörpers erhöht wird und durch die Verlängerung der Abspritzöffnungen in vorteilhafter Weise eine tiefe Penetration des abzuspritzenden Fluids, insbesondere Brennstoff in einen Brennraum ermöglicht wird.
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Weiterhin ist hervorzuheben, dass ein unkontrollierter Austritt von Brennstoff unmittelbar nach dem Ende der Einspritzung verhindert wird. Üblicherweise kommt es beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils zum Prellen der Ventilnadel mit dem Ventilschließkörper an der Ventilsitzfläche, so dass sich kurzzeitig unerwünschte Öffnungsphasen an den Schließvorgang noch anschließen. Diese unkontrolliert abgegebene Brennstoffmenge führt zu einer kleinen Abweichung der eingespritzten Brennstoffmenge vom Sollwert, so dass eine nachteilige Wirkung im Motorbetrieb nicht ausgeschlossen werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Design des kuppenartigen Mittenbereichs kann die Prellerwahrscheinlichkeit extrem reduziert werden, da die Wellenkuppe eine hohe Eigensteifigkeit besitzt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Motorbetrieb auf der Außenseite des kuppenartigen Mittenbereichs weniger Rußablagerungen entstehen als bei bekannten Brennstoffeinspritzventilen. Durch das erfindungsgemäße Design des Ventilsitzkörpers wird im Bauteil eine Temperaturverteilung erreicht, die das rasche Anwachsen der Rußbeläge verhindert.
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Aufgrund der geringen Belagsbildung an der Oberfläche des Ventilsitzkörpers bietet das erfindungsgemäße Design eine größere Sicherheit gegen das Zuwachsen der Abspritzöffnungen („Verkokung“). Unter Berücksichtigung der weltweit stark schwankenden Brennstoffqualität ist dieses robuste Verhalten von großem Vorteil.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, dass auch der durch den Motordauerbetrieb hervorgerufene Anstieg der Partikelemissionen im Abgas geringer ausfällt als bei Brennstoffeinspritzventilen nach dem Stand der Technik (Reduzierung des PN-Drift).
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die Geometrieauslegung des Ventilsitzkörpers an seiner dem Brennraum zugewandten unteren Stirnseite sehr flexibel an gewünschte Einbaubedingungen und Anforderungen an den Motorbetrieb anpassbar ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen schematischen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil in einer bekannten Ausgestaltung mit einem Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörper am stromabwärtigen Ventilende,
- 2a, 2b, 2c schematische Darstellungen von verschiedenen bekannten Bauarten Abspritzöffnungen aufweisender Ventilsitzkörper als Ausschnitt II - III von 1 in einer jeweils vergrößerten Darstellung und
- 3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein in 1 dargestelltes bekanntes Beispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Allgemein ist die Erfindung anwendbar bei Ventilen zum Zumessen eines Fluids.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ventilsitzkörper 5 und Düsenkörper 2 können auch einteilig ausgeführt sein. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 7 verfügt, typischerweise aber wenigstens zwei Abspritzöffnungen 7 aufweist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 7. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen ein Ventilgehäuse 9 abgedichtet. Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 10 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt ist, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und das Ventilgehäuse 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann. Alternativ sind auch piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren verwendbar.
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Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. Auf der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Einstellhülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
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In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungskörper 41 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 36 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
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Auf der stromabwärtigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
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Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 7 abgespritzt.
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Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
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In den 1, 2a, 2b und 2c sind Ausführungsformen von bekannten Ventilsitzkörpern 5 gezeigt. Auch in der 3 wird zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und Konturgebung am Ventilsitzkörper 5 ein vergleichbarer Ausschnitt II - III von 1 in einer vergrößerten Darstellung gewählt.
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Die 2a, 2b und 2c zeigen in sehr schematischen Darstellungen drei grundsätzliche typische Bauarten von Abspritzöffnungen 7 aufweisenden Ventilsitzkörpern 5. Während bei der bekannten und bewährten Lösung gemäß 2c der Ventilsitzkörper 5 mit einer ebenen und flachen Stirnfläche 43 das stromabwärtige Ventilende des Brennstoffeinspritzventils 1 zum Brennraum hin abschließt, sind bei den ebenfalls bekannten Lösungen gemäß 2a und 2b die Ventilsitzkörper 5 mit einem die Abspritzöffnungen 7 umfassenden, kuppenartig in Abspritzrichtung nach außen stehenden, rotationssymmetrisch zu einer Ventillängsachse 40 ausgebildeten Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5 ausgestaltet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a handelt es sich dabei um eine Kegelkuppe mit einer konischen Mantelfläche im Mittenbereich 44, während der Mittenbereich 44 der Ausführungsform gemäß 2b als Kugelkuppe sphärisch konvex nach außen gewölbt ausgeführt ist. In beiden Fällen geht der kuppenartige Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5, ähnlich der Ausführung gemäß 2c, fließend und in stetigem Fortgang in die ebene und flache Stirnfläche 43 des Ventilsitzkörpers 5 über.
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Ziel der Erfindung ist es, einen Ventilsitzkörper 5 für ein mehrere Abspritzöffnungen 7 aufweisendes Brennstoffeinspritzventil 1 zu erzeugen, der trotz eines kuppenartigen Mittenbereichs 44 eine besonders hohe Strukturfestigkeit hat, der also weniger biegespannungsempfindlich als im Stand der Technik ausgelegt ist.
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Messungen haben gezeigt, dass kleine Wandstärken im Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5 und kurze Abspritzöffnungen 7 einen positiven Einfluss auf die Partikelemissionen der Brennkraftmaschine haben. Bei diesen auf möglichst geringe Partikelemissionen optimierten Brennstoffeinspritzventilen 1 besteht allerdings die Gefahr einer deutlichen Erhöhung der Bauteilspannungen im Ventilsitzkörper 5. Die erfindungsgemäßen geometrischen Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung sehen deshalb vor, lokal an festigkeitskritischen Stellen des Ventilsitzkörpers 5 das Materialvolumen bzw. die Materialstärke zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß hat der kuppenartig ausgebildete Mittenbereich 44 des Ventilsitzkörpers 5 eine mehrfach gewölbte Außenkontur, die dadurch entsteht, dass eine ringförmig umlaufende, innere Senke 46 und eine ringförmig umlaufende, äußere Senke 47 ausgebildet sind, wobei die innere Senke 46 Teil der Kuppe ist und die Kuppe radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen 7 in der vertieften äußeren Senke 47 endet. Die Senken 46, 47 sind idealerweise umlaufend ausgebildet, wobei sich von der äußeren Senke 47 aus nach radial außen wenigstens ein wiederum axial hervorstehender Randbereich 48 des Ventilsitzkörpers 5 anschließt, so dass im Querschnitt eine insgesamt mehrfach wellenförmige Kuppenkontur des Ventilsitzkörpers 5 gebildet ist.
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In der 3 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzkörpers 5 in einer mit 2 vergleichbaren Ausschnittdarstellung dargestellt. Der kuppenartige Mittenbereich 44 ist in idealer Weise rotationssymmetrisch zur Ventillängsachse 40 ausgeformt und endet radial außerhalb der Mündungsbereiche aller Abspritzöffnungen 7 in der äußeren vertieften Senke 47, die wie die Senke 46 ähnlich einer Ringsicke eingekerbt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Senke 47 und der Übergang der radial äußeren Senkenkante zum Randbereich 48 jeweils mit einem recht kleinen Radius gerundet ausgebildet. Der Randbereich 48 weist hier eine ebene und flache Stirnfläche 43 auf. Die äußere Senke 47 ist so ausgeformt, dass sie mit ihrem Grund vertieft und axial zurückversetzt gegenüber der Stirnfläche 43 liegt. Diese Art des zurückversetzten Ventilsitzes bietet entscheidende Festigkeitsvorteile für den Ventilsitzkörper 5. Ansonsten steht der Mittenbereich 44 vollständig über die Stirnfläche 43 axial hinaus.
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Damit das hinzugefügte Materialvolumen nicht direkt zu einer Verlängerung der Abspritzöffnungen 7 führt, ist die Kuppenkontur des Mittenbereichs 44 im Mündungsbereich der Abspritzöffnungen 7 mit einem eigenen kleinen Radius versehen, so dass die Spannungen im Bauteil zwischen den Abspritzöffnungen 7 reduziert werden. Diese besondere Kontur bewirkt zudem einen verbesserten Strahlaufbruch der abzugebenden Fluidstrahlen durch sich im Austrittsbereich der Abspritzöffnungen 7 ergebende 3D-Ellipsen und eine optimierte Penetration in den Brennraum.
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Im Folgenden werden einige konkrete Maßangaben zur Beschreibung der Kontur des Mittenbereichs 44 des Ventilsitzkörpers 5 beispielhaft angegeben, um die Dimensionen zu veranschaulichen, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt wäre. Bei einem Durchmesser von ca. 6 mm des Ventilsitzkörpers 5 und damit der Ventilspitze des Brennstoffeinspritzventils 1 beträgt der Radius der Wölbung des Mittenbereichs 44 um die Ventillängsachse 40 radial innerhalb der inneren Senke 46 < 3 mm. Nach radial außen vergrößert sich der Radius der ringförmig umlaufenden Wölbung des Mittenbereichs 44 zwischen der inneren Senke 46 und der äußeren Senke 47. Im Bereich der Mündungen der Abspritzöffnungen 7 an der Kuppe kann der Radius durch eine gewisse Materialaufdickung und damit regionale Zusatzaufwölbung auf ca. 0,2 mm bis 0,6 mm reduziert sein. Die Senke 47 wird vorzugsweise sehr klein ausgeführt, und zwar mit einem Radius, der nicht größer als 0,5 mm sein sollte.
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Bei dieser Auslegung variiert die Wandstärke des Mittenbereichs 44 des Ventilsitzkörpers 5 von ca. 0,2 bis 0,3 mm im Bereich der Ventillängsachse 40 bis ca. 0,35 bis 0,7 mm im aufgedickten Bereich nahe der Abspritzöffnungen 7. Bei Varianten mit größeren Wandstärken wird das Delta zwischen dünnster und dickster Wandstärke geringer ausfallen, da die Kuppe ansonsten zu flach wird.
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Von der Senke 47, die wie die Senke 46 als Entlastungsnut dient, läuft die Kontur nach radial außen in einem Winkel α von 0° bis maximal 70° zur senkrechten Ventillängsachse 40 zur Stirnfläche 43 des Ventilsitzkörpers 5 aus. Je nach Design kann der Winkel auch mit einem Radius größer als 0,5 mm ersetzt werden.
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Die Kombination einer größeren Wandstärke an den Abspritzöffnungen 7 und der Senke 47 minimiert die lokal am Spritzlochaustritt auftretenden maximalen Spannungen, da die eingeleiteten Kräfte durch das hinzugefügte Material besser verteilt werden können. Die Spannungen sind bei großen Spritzlochinklinationen radial zur Abspritzöffnung 7 in Interaktion mit der Senke 47. Daher ist es nötig, den Radius der Senke 47 so klein wie möglich auszulegen, um eine verbesserte Festigkeit zwischen der Senke 47 und der Abspritzöffnung 7 zu erreichen. Bei kleinen Inklinationen befinden sich die höchsten Spannungen zwischen den Abspritzöffnungen 7. Hier reduziert der aufgedickte Bereich am radial äußeren Mittenbereich 44 die dort entstehenden Spannungen. Ein Festigkeitsoptimum wird durch die Geometrieauslegung von Senke 47 und Aufdickungen im Bereich der Abspritzöffnungen 7 erreicht. Die Senke 47 dient zudem der Zirkulation von Luft, die den Strahlaufbruch des Fluidsprays begünstigt. Außerdem hilft sie, die Abspritzöffnungen 7 vor Ablagerungen von Verbrennungsprodukten und Brennraumgasen zu schützen.
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Die Abspritzöffnungen 7 im Ventilsitzkörper 5 können sowohl mit einer durchmessergrößeren, zur Abspritzseite hin verlaufenden Vorstufe, wie in den Ausführungen gemäß 2a und 2b gezeigt, ausgebildet sein, aber auch zylindrisch, konisch mit positivem oder negativem Öffnungswinkel oder mehrfach gestuft o.ä. verlaufen. Im Querschnitt sind alle Formen für die Abspritzöffnungen 7 denkbar, von rund über oval bis mehreckig. Dabei werden die Abspritzöffnungen 7 mittels Erodieren, Laserbohren oder Stanzen hergestellt. Die Abspritzöffnungen 7 können am Spritzlocheintritt bzw. -austritt entweder scharfkantig gefertigt werden oder aber z.B. durch hydroerosives Erodieren verrundet werden.
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Als typischer Werkstoff für den Ventilsitzkörper 5 kann Stahl verwendet werden. Die Herstellung des kuppenartigen Mittenbereichs 44 kann deshalb mittels Zerspanen (z. B. Drehen, Schleifen, Honen), durch Umformen (z. B. Fließpressen) oder auch durch Urformen (z. B. Metal Injection Molding) erfolgen. Abgesehen von Stahl kommen aber auch andere metallische Werkstoffe oder keramische Werkstoffe für den Ventilsitzkörper 5 in Frage.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiele beschränkt und z.B. für andersartig angeordnete Abspritzöffnungen 7 sowie für beliebige Bauweisen von nach innen öffnenden Mehrloch-Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013219027 A1 [0002]
- EP 2333306 A1 [0002]
