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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 der
1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffeinspritzvorrichtung gezeigt, bei der ein in einer Aufnahmebohrung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine eingebautes Brennstoffeinspritzventil vorgesehen ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Das Ventil weist ein Ventilgehäuse auf, das u.a. einen einen Ventilsitzkörper aufnehmenden und mit dem Ventilsitzkörper fest verbundenen Ventilsitzträger umfasst. Die beiden Bauteile sind mittels einer Schweißnaht fest miteinander verbunden. Der Ventilsitzkörper liegt im montierten Zustand an einer inneren Anschlagschulter des Ventilsitzträgers an, wodurch am Außenumfang der beiden Bauteile zwischen diesen ein radialer Ringspalt verbleibt (z.B.
DE 10 2005 052 255 A1 ).
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Aus der
DE 10 2005 061 424 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen Magnetkreis mit einem Kern, mit einer Magnetspule und einem Anker sowie mit einer bewegbaren Ventilnadel, die einen Ventilschließkörper aufweist, der mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkt, besitzt. Der Ventilsitz ist an einem Ventilsitzkörper ausgeformt, wobei der Ventilsitzkörper mit einem Ventilsitzträger, in den der Ventilsitzkörper eingebracht ist, fest verbunden ist. Der Ventilsitzkörper ist aus einem keramischen Material hergestellt und weist an seinem äußeren Umfang eine sägezahnähnliche Struktur zur Herstellung der festen Verbindung mit dem aus einem Kunststoff hergestellten Ventilsitzträger auf. Zwischen den beiden Bauteilpartnern wird insofern eine Kunststoff-Keramik-Pressverbindung realisiert. Die sägezahnähnliche Struktur des Keramik-Bauteils Ventilsitzkörper dringt in den Kunststoff des Ventilsitzträgers ein, und der Kunststoff relaxiert nachfolgend.
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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 den Vorteil einer verbesserten Temperaturstabilität im Bereich der hohen Temperaturen ausgesetzten Ventilbauteile. Bei Brennstoffeinspritzventilen handelt es sich entsprechend um den dem Brennraum zugewandten Ventilsitzkörper. An seinem abspritzseitigen Ventilende, das bei Ausführung des Ventils als direkteinspritzendes Brennstoffeinspritzventil durch die unmittelbare Nähe zum Brennraum von der aggressiven Brennraumatmosphäre beeinflusst ist, besitzt das Ventil in vorteilhafter Weise eine hohe Chemikalienbeständigkeit. Erfindungsgemäß sind ein zum Ventilgehäuse gehörender Ventilsitzträger und der Ventilsitzkörper nur indirekt über eine Spannhülse fest miteinander verbunden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, den Ventilsitzkörper aus einem keramischen Werkstoff herzustellen, um die angestrebte verbesserten Temperaturstabilität im Bereich der hohen Temperaturen ausgesetzten Ventilbauteile zu erreichen. Beispielhaft sei die Keramik Ceramaseal ® als geeigneter Werkstoff für den Ventilsitzkörper genannt. Alternative Keramiken sind ebenso denkbar.
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Besonders vorteilhaft ist es, zumindest abschnittsweise einen konisch verlaufenden Bereich an der unteren Stirnseite des Ventilsitzträgers vorzusehen, mit dem eine abgerundete obere Stirnseite des Ventilsitzkörpers zu einer kardanischen Lagerung zusammenwirkt. Auf diese Weise lässt sich der Ventilsitzkörper gegenüber dem Ventilsitzträger zentrieren und ausrichten. Die Designmerkmale der kardanischen Lagerung können genauso gut auch am jeweils anderen Bauteil realisiert sein.
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Um den Ventilsitzkörper dichtend gegen den metallenen Ventilsitzträger zu pressen, werden in vorteilhafter Weise am Außenumfang der Spannhülse eine oder mehrere z.B. umlaufende Schrumpfschweißnähte bzw. Zugschweißnähte platziert. Über die Schrumpfschweißnähte lässt sich die Gefügestruktur in diesen Bereichen der Spannhülse derart verändern, dass das Material geringfügig verdichtet wird und sich die Bauteillänge der Spannhülse reduziert.
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In vorteilhafter Art und Weise sind der Ventilsitzträger und die Spannhülse mittels einer Schweißnaht fest miteinander in deren Überlappbereich, der sich ergibt, da die Spannhülse eine größere axiale Ausdehnung besitzt als die axiale Erstreckung des Ventilsitzkörpers, verbunden. Auf diese Weise kommt es zur indirekten Befestigung des nicht schweißbaren Ventilsitzkörpers am Ventilsitzträger.
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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,
- 2 das abströmseitige Ventilende in einem ersten Ausführungsbeispiel als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung,
- 3 das abströmseitige Ventilende in einem zweiten Ausführungsbeispiel als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung,
- 4 den mit IV in 3 bezeichneten Ausschnitt in einer vergrößerten Darstellung,
- 5 das abströmseitige Ventilende in einem dritten Ausführungsbeispiel als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung und
- 6 den mit VI in 5 bezeichneten Ausschnitt in einer vergrößerten Darstellung.
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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 näher dargestellten Brennraum 25 einer Brennkraftmaschine. Allgemein ist die Erfindung anwendbar bei Ventilen zum Zumessen eines Fluids.
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Mit einem stromabwärtigen Ende ist das Brennstoffeinspritzventil 1 in eine Aufnahmebohrung 20 eines Zylinderkopfes 9 eingebaut. Ein Dichtring 2, insbesondere aus Teflon ®, sorgt für eine optimale Abdichtung des Brennstoffeinspritzventils 1 gegenüber der Wandung der Aufnahmebohrung 20 des Zylinderkopfes 9.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist an seinem zulaufseitigen Ende 3 eine Steckverbindung zu einer nicht gezeigten Brennstoffverteilerleitung auf, die durch einen Dichtring 5 zwischen einem Anschlussstutzen der Brennstoffverteilerleitung und einem Zulaufstutzen 7 des Brennstoffeinspritzventils 1 abgedichtet ist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 verfügt über einen elektrischen Anschlussstecker 8 für die elektrische Kontaktierung zur Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 1.
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Zwischen einem Ventilgehäuse 22 und einer z.B. rechtwinklig zur Längserstreckung der Aufnahmebohrung 20 verlaufenden Schulter 23 der Aufnahmebohrung 20 ist ein Entkopplungselement 24 eingelegt, das dem Ausgleich von Fertigungs- und Montagetoleranzen dient und eine querkraftfreie Lagerung auch bei leichter Schiefstellung des Brennstoffeinspritzventils 1 sicherstellt. Außerdem erfolgt damit eine optimierte Geräuschentkopplung. Das Entkopplungselement 24 ist z.B. mittels einer Sicherungsscheibe 39 gesichert.
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Das Ventilgehäuse 22 des Brennstoffeinspritzventils 1 wird u.a. durch den Zulaufstutzen 7, aber auch von einem Düsenkörper 10 gebildet, in welchem eine Ventilnadel 11 angeordnet ist. Die Ventilnadel 11 steht mit einem z.B. kugelförmigen Ventilschließkörper 12 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 13 angeordneten Ventilsitzfläche 14 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 4 verfügt, typischerweise aber wenigstens zwei Abspritzöffnungen 4 aufweist. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 4.
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Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 15 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse gekapselt und auf einen Spulenträger gewickelt ist, welcher einen Innenpol 16 umgibt. Zu dem elektroamagnetischen Kreis gehört weiterhin ein Anker 17, der auf der Ventilnadel 11 angeordnet ist. Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 17 von einer Rückstellfeder 18 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 12 an der Ventilsitzfläche 14 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 15 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 17 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 18 in Hubrichtung bewegt. Der Anker 17 nimmt die Ventilnadel 11 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 11 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 12 hebt von der Ventilsitzfläche 14 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 4 abgespritzt.
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Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 17 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 18 vom Innenpol 16 ab, wodurch sich die Ventilnadel 11 entgegen der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 12 auf der Ventilsitzfläche 14 auf, und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
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Bei dieser Ausführung der Brennstoffeinspritzvorrichtung handelt es sich um ein System für die Benzindirekteinspritzung mit Brennstoffeinspritzventilen 1, die, wie gezeigt, mit einem elektromagnetischen Aktuator, aber auch mit Piezoaktoren betrieben und z.B. in einem Konstantdrucksystem eingesetzt werden können.
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Bei dem Düsenkörper 10 handelt es sich um ein Ventilbauteil, das auch als Ventilsitzträger bezeichnet werden kann, da er den Ventilsitzkörper 13 aufnimmt. 2 zeigt das abströmseitige Ventilende als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung, allerdings in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In vorteilhafter Weise ist der Ventilsitzkörper 13 aus einem keramischen Material gefertigt. Bei vergleichbaren bekannten Ventilen sind die Ventilsitzkörper 13 aus metallischen Materialien wie Edelstahl hergestellt. Bei hohen Ventilspitzentemperaturen reduziert sich die Festigkeit solcher metallischer Materialien, so dass gezielt auf die Einhaltung von Temperaturobergrenzen an diesen Bauteilen bei ihrem Einsatz geachtet werden muss. Als hochtemperaturstabiler Werkstoff soll deshalb ein keramischer Werkstoff für den Ventilsitzkörper 13 eingesetzt werden. Außerdem besitzt das Ventil in vorteilhafter Weise eine hohe Chemikalienbeständigkeit an seinem der Brennraumatmosphäre ausgesetzten Ventilende.
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Da der Ventilsitzträger 10 als Teil des Ventilgehäuses 22 weiterhin, wie bei derartigen Ventilen üblich, aus einem metallischen Material wie Edelstahl bestehen soll, können Ventilsitzträger 10 und der Ventilsitzkörper 13 nicht mittels einer Schweißnaht fest miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß werden deshalb Ventilsitzträger 10 und Ventilsitzkörper 13 indirekt miteinander verbunden, und zwar mit einer Spannhülse 30. Bei der Spannhülse 30 handelt es sich um ein hülsenförmiges Bauteil, das an seinem unteren Ende einen um ca. 90° abgewinkelten Bodenbereich 31 aufweist. Der Bodenbereich 31 besitzt eine große Öffnung, die teilweise von dem Ventilsitzkörper 13 durchragt wird. Der verbleibende Bodenbereich 31 stellt insofern einen Ringbund dar, der eine Schulter 32 des Ventilsitzkörpers 13 untergreift und damit den Ventilsitzkörper 13 aufnimmt. Der Ventilsitzkörper 13 wird eingehängt in der Spannhülse 30 bis zur Anlage an einer planen unteren Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 gebracht und dann gesichert. Die Sicherung erfolgt z.B. mittels einer umlaufenden Schweißnaht 34 zwischen dem metallenen Ventilsitzträger 10 und der metallenen Spannhülse 30 in deren Überlappbereich, da die Spannhülse 30 eine größere axiale Ausdehnung besitzt als die axiale Erstreckung des Ventilsitzkörpers 13.
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Um den Ventilsitzkörper 13 dichtend gegen den Ventilsitzträger 10 zu pressen, werden am Außenumfang der Spannhülse 30 eine oder mehrere z.B. umlaufende Schrumpfschweißnähte bzw. Zugschweißnähte 38 platziert. Über die Schrumpfschweißnähte 38 lässt sich die Gefügestruktur in diesen Bereichen der Spannhülse 30 derart verändern, dass das Material geringfügig verdichtet wird und sich die Bauteillänge der Spannhülse 30 reduziert. Die hierdurch erreichte axiale Pressung im Anschlagbereich von Ventilsitzkörper 13 und Ventilsitzträger 10 muss so ausgelegt sein, dass die Pressverbindung Ventilsitzkörper 13 zu Ventilsitzträger 10 gegen den hydraulischen Systemdruck von z.B. bis 500 bar dichtet.
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In der 3 ist das abströmseitige Ventilende in einem zweiten Ausführungsbeispiel als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Diese Ausführung unterscheidet sich insbesondere von dem in 2 gezeigten Beispiel dadurch, dass die unteren Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 nicht plan ausgeführt ist. Vielmehr besitzt die dem Ventilsitzkörper 13 zugewandte Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 eine gestufte Geometrie. Von radial außen beginnend verläuft die Stirnseite 33 über einen gewissen Abschnitt plan im rechten Winkel zur Längsachse des Ventilsitzträgers 10 und geht dann nach radial innen in einen konisch verlaufenden Bereich 35 über, der sich nach radial innen dem Ventilsitzkörper 13 zugewandt verjüngt. Der konisch verlaufende Bereich 35 der Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 wirkt mit einer abgerundeten oberen Stirnseite 36 des Ventilsitzkörpers 13 zu einer kardanischen Lagerung zusammen. Auf diese Weise lässt sich der Ventilsitzkörper 13 gegenüber dem Ventilsitzträger 10 zentrieren und ausrichten. Erst nach der genauen Ausrichtung von Ventilsitzkörper 13 und Ventilsitzträger 10 zueinander erfolgt die Sicherung mittels der Schweißnaht 34 zwischen dem Ventilsitzträger 10 und der Spannhülse 30. Bei dieser außendichtenden Auslegung können ebenfalls eine oder mehrere z.B. umlaufende Schrumpfschweißnähte 38 am Außenumfang der Spannhülse 30 gesetzt werden, um eine axiale Pressung im Anschlagbereich von Ventilsitzkörper 13 und Ventilsitzträger 10 und damit die erforderliche Abdichtung zu realisieren. 4 zeigt den mit IV in 3 bezeichneten Ausschnitt in einer vergrößerten Darstellung zur Verdeutlichung der kardanischen Lagerung.
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In der 5 ist das abströmseitige Ventilende in einem dritten Ausführungsbeispiel als Ausschnitt II von 1 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Diese Ausführung unterscheidet sich insbesondere von dem in 3 gezeigten Beispiel dadurch, dass die unteren Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 in den Teilbereichen umgekehrt, aber ebenfalls nicht durchgehend plan ausgeführt ist. Vielmehr besitzt die dem Ventilsitzkörper 13 zugewandte Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 wiederum eine gestufte Geometrie. Von radial außen beginnend besitzt die Stirnseite 33 einen nach radial innen konisch verlaufenden Bereich 35, der dann weiter nach radial innen in einen Abschnitt im rechten Winkel zur Längsachse des Ventilsitzträgers 10 übergeht. Der konisch verlaufende Bereich 35 verjüngt sich nach radial innen dem Ventilsitzkörper 13 abgewandt. Der konisch verlaufende Bereich 35 der Stirnseite 33 des Ventilsitzträgers 10 wirkt in analoger Weise wie im Bespiel der 3 und 4 mit der abgerundeten oberen Stirnseite 36 des Ventilsitzkörpers 13 zu einer kardanischen Lagerung zusammen. Auf diese Weise lässt sich der Ventilsitzkörper 13 gegenüber dem Ventilsitzträger 10 zentrieren und ausrichten. Erst nach der genauen Ausrichtung von Ventilsitzkörper 13 und Ventilsitzträger 10 zueinander erfolgt die Sicherung mittels der Schweißnaht 34 zwischen dem Ventilsitzträger 10 und der Spannhülse 30. Bei dieser innendichtenden Auslegung können ebenfalls eine oder mehrere z.B. umlaufende Schrumpfschweißnähte 38 am Außenumfang der Spannhülse 30 gesetzt werden, um eine axiale Pressung im Anschlagbereich von Ventilsitzkörper 13 und Ventilsitzträger 10 und damit die erforderliche Abdichtung zu realisieren. 6 zeigt den mit VI in 5 bezeichneten Ausschnitt in einer vergrößerten Darstellung zur Verdeutlichung der kardanischen Lagerung.
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Die konischen Bereiche 35 können, wie gezeigt, jeweils auch angefast enden. Ebenso ist es auch denkbar, die Stirnseite 33 über ihre gesamte radiale Erstreckung als konisch verlaufenden Bereich 35 ohne plane Abschnitte vorzusehen.
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Alle die Geometrie der kardanischen Lagerung zwischen Ventilsitzkörper 13 und Ventilsitzträger 10 betreffenden vorbeschriebenen Designmerkmale können auch genau umgekehrt am jeweils anderen Bauteil umgesetzt sein, ohne dass die gewünschte Funktion dabei nicht gewährleistet wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005052255 A1 [0002]
- DE 102005061424 A1 [0003]
