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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 197 36 682
A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das
ein einen festen Ventilsitz aufweisendes Ventilsitzelement besitzt, mit
dem ein Ventilschließglied
zum Öffnen
und Schließen
des Ventils zusammenwirkt. Das Ventilsitzelement ist dabei mit einem
es aufnehmenden Ventilsitzträger
fest verbunden, wobei die feste Verbindung mit einer umlaufenden
Schweißnaht
erzielt wird. Wenn ein für
Ventilsitze aufgrund seiner großen Härte bevorzugter
martensitischer Eisenwerkstoff zum Einsatz kommt, besteht ein erhöhtes Risiko
der Bildung von Rissen bei der Befestigung des Ventilsitzelements
an dem Ventilsitzträger
mittels einer oder mehrerer Schweißnähte.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass das Risiko einer Rissbildung im Verbindungsbereich des Ventilsitzelements
und des es aufnehmenden Anschlussteils deutlich herabgesetzt ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch
erreicht, dass ein austenitisches Verbindungsteil vorgesehen ist,
das sowohl fest mit dem Ventilsitzelement als auch fest mit dem
Anschlussteil verbunden ist, so dass das Ventilsitzelement und das Anschlussteil
nur noch indirekt miteinander verbunden sind.
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Die
sich durch das austenitische Verbindungsteil ergebende Werkstoffkombination
erlaubt eine sehr sichere Schweißverbindung des Ventilsitzelements
am Anschlussteil über
das Verbindungsteil mit einer erhöhten dynamischen Festigkeit
und einer deutlich reduzierten Gefahr der Rissbildung.
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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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Von
Vorteil ist es, das Verbindungsteil an dem Ventilsitzelement durch
Löten zu
befestigen. Kostensparend kann das Einlöten in idealer Weise mit dem
Härteprozess
des Ventilsitzes kombiniert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, am äußeren Umfang
und an der unteren Stirnfläche
des Ventilsitzelements eine umlaufende Ausnehmung vorzusehen, in
der das ringförmige
Verbindungsteil eingebracht ist.
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In
vorteilhafter Weise haben das Verbindungsteil und das Anschlussteil
jeweils eine untere Stirnfläche,
die axial zueinander versetzt sind. Eine solche Ausbildung hat den
Vorteil, dass von dem gut schweißbaren Austenit des Verbindungsteils
beim Erzielen einer Schweißverbindung
in der Schmelze des Schweißbades
ein Überschuss
entsteht.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 ein Brennstoffeinspritzventil
in einem Längsschnitt
und 2 den Führungs-
und Sitzbereich in einem vergrößerten Maßstab.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
in der 1 beispielsweise als ein Ausführungsbeispiel dargestellte
elektromagnetisch betätigbare
Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen,
als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, rohrförmigen, weitgehend
hohlzylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil
eignet sich besonders als Hochdruckeinspritzventil zum direkten
Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ein
beispielsweise gestufter Spulenkörper 3 aus Kunststoff
nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in
Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen,
nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen
Zwischenteil 4 mit einem L-förmigen Querschnitt einen besonders
kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der
Magnetspule 1.
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In
dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen,
die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt.
Der Kern 2 des Magnetkreises dient auch als Brennstoffeinlassstutzen,
wobei die Längsöffnung 7 einen
Brennstoffzufuhrkanal darstellt. Mit dem Kern 2 oberhalb
der Magnetspule 1 fest verbunden ist ein äußeres metallenes
(z. B. ferritisches) Gehäuseteil 14,
das als Außenpol
bzw. äußeres Leitelement
den Magnetkreis schließt
und die Magnetspule 1 zumindest in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
In der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 ist zulaufseitig ein Brennstofffilter 15 vorgesehen,
der für die
Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund
ihrer Größe im Einspritzventil
Verstopfungen oder Beschädigungen
verursachen könnten.
Der Brennstofffilter 15 ist z. B. durch Einpressen im Kern 2 fixiert.
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Der
Kern 2 bildet mit dem Gehäuseteil 14 das zulaufseitige
Ende des Brennstoffeinspritzventils, wobei sich das obere Gehäuseteil 14 beispielsweise
in axialer Richtung stromabwärts
gesehen gerade noch über
die Magnetspule 1 hinaus erstreckt. An das obere Gehäuseteil 14 schließt sich
dicht und fest ein unteres rohrförmiges
Gehäuseteil 18 an,
das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und
einer stangenförmigen
Ventilnadel 20 bzw. einen langgestreckten Ventilsitzträger 21 umschließt bzw.
aufnimmt. Die beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind
z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das untere
Gehäuseteil 18 und
der weitgehend rohrförmige
Ventilsitzträger 21 durch
Verschrauben fest miteinander verbunden; Schweißen, Löten oder Bördeln stellen aber ebenso mögliche Fügeverfahren
dar. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und dem
Ventilsitzträger 21 erfolgt
z. B. mittels eines Dichtrings 22. Der Ventilsitzträger 21 besitzt über seine
gesamte axiale Ausdehnung eine innere Durchgangsöffnung 24, die konzentrisch
zu der Ventillängsachse 8 verläuft.
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Mit
seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluss
des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der Ventilsitzträger 21 ein
in der Durchgangsöffnung 24 eingepasstes
scheibenförmiges
Ventilsitzelement 26 mit einer sich stromabwärts kegelstumpfförmig verjüngenden
Ventilsitzfläche 27.
In der Durchgangsöffnung 24 ist
die z. B. stangenförmige,
einen weitgehend kreisförmigen
Querschnitt aufweisende Ventilnadel 20 angeordnet, die
an ihrem stromabwärtigen Ende
einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist.
Dieser beispielsweise kugelig oder teilweise kugelförmig bzw.
abgerundet ausgebildete oder sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt 28 wirkt
in bekannter Weise mit der im Ventilsitzelement 26 vorgesehenen Ventilsitzfläche 27 zusammen.
Das axial bewegliche Ventilteil kann neben der dargestellten Ausführung mit
Anker 19, Ventilnadel 20 und Ventilschließabschnitt 28 auch
völlig
anderweitig als axial beweglicher Ventilschließkörper, z. B. als Flachanker,
ausgebildet sein. Stromabwärts
der Ventilsitzfläche 27 ist im
Ventilsitzelement 26 wenigstens eine Austrittsöffnung 32 für den Brennstoff
eingebracht. Die Austrittsöffnung 32 verläuft bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 konzentrisch
zur Ventillängsachse 8.
Alternativ kann die Austrittsöffnung 32 z.
B. auch schräg
geneigt zur Ventillängsachse 8 verlaufen.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch.
Ein Piezoaktor oder ein magnetostriktiver Aktor als erregbare Betätigungselemente sind
jedoch ebenso denkbar. Ebenso ist eine Betätigung über einen gesteuert druckbelasteten
Kolben denkbar. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und
damit zum Öffnen
entgegen der Federkraft einer in der Längsöffnung 7 des Kerns 2 angeordneten
Rückstellfeder 33 bzw.
Schließen
des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der
Magnetspule 1, dem Kern 2, den Gehäuseteilen 14 und 18 und
dem Anker 19. Der Anker 19 ist mit dem dem Ventilschließabschnitt 28 abgewandten Ende
der Ventilnadel 20 z. B. durch eine Schweißnaht verbunden
und auf den Kern 2 ausgerichtet. Zur Führung der Ventilnadel 20 während ihrer
Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der Ventillängsachse 8 dient
einerseits eine im Ventilsitzträger 21 am
dem Anker 19 zugewandten Ende vorgesehene Führungsöffnung 34 und
andererseits ein stromaufwärts des
Ventilsitzelements 26 angeordnetes scheibenförmiges Führungselement 35 mit
einer maßgenauen Führungsöffnung 55.
Der Anker 19 ist während
seiner Axialbewegung von dem Zwischenteil 4 umgeben.
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Zwischen
dem Führungselement 35 und dem
Ventilsitzelement 26 ist ein weiteres scheibenförmiges Element,
und zwar ein Drallelement 47 angeordnet, so dass alle drei
Elemente 35, 47 und 26 unmittelbar aufeinanderliegen
und im Ventilsitzträger 21 Aufnahme
finden. Die drei scheibenförmigen
Elemente 35, 47 und 26 sind z. B. stoffschlüssig mit mehreren über den
Umfang verteilten Schweißpunkten
bzw. -nähten 50 fest
miteinander verbunden.
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Eine
in der Längsöffnung 7 des
Kerns 2 eingeschobene, eingepresste oder eingeschraubte
Einstellhülse 38 dient
zur Einstellung der Federvorspannung der über ein Zentrierstück 39 mit
ihrer stromaufwärtigen
Seite an der Einstellhülse 38 anliegenden Rückstellfeder 33,
die sich mit ihrer gegenüberliegenden
Seite am Anker 19 abstützt.
Im Anker 19 sind ein oder mehrere bohrungsähnliche
Strömungskanäle 40 vorgesehen,
durch die der Brennstoff von der Längsöffnung 7 im Kern 2 aus über stromabwärts der Strömungskanäle 40 ausgebildete
Verbindungskanäle 41 nahe
der Führungsöffnung 34 im
Ventilsitzträger 21 bis
in die Durchgangsöffnung 24 gelangen kann.
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Der
Hub der Ventilnadel 20 wird durch die Einbaulage des Ventilsitzelements 26 vorgegeben. Eine
Endstellung der Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch
die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an
der Ventilsitzfläche 27 des Ventilsitzelements 26 festgelegt,
während
sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch
die Anlage des Ankers 19 an der stromabwärtigen Stirnseite
des Kerns 2 ergibt. Die Oberflächen der Bauteile im letztgenannten
Anschlagbereich sind beispielsweise verchromt.
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Die
elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren
Erregung erfolgt über
Kontaktelemente 43, die noch außerhalb des Spulenkörpers 3 mit
einer Kunststoffumspritzung 44 versehen sind. Die Kunststoffumspritzung 44 kann
sich auch über
weitere Bauteile (z. B. Gehäuseteile 14 und 18) des
Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Aus der Kunststoffumspritzung 44 heraus
verläuft
ein elektrisches Anschlusskabel 45, über das die Bestromung der
Magnetspule 1 erfolgt. Die Kunststoffumspritzung 44 ragt
durch das in diesem Bereich unterbrochene obere Gehäuseteil 14.
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2 zeigt
den Führungs-
und Sitzbereich des Ventils gemäß 1 in
einem vergrößerten Maßstab. Das
Ventilsitzelement 26 besteht aus einem martensitischen
Werkstoff, z. B. einem Cr-Stahl mit ca. 1% Kohlenstoff. Ein solcher
Werkstoff eignet sich besonders für das Ventilsitzelement 26,
weil er eine relativ hohe Härte
aufweist, was aus Verschleißgründen insbesondere
an der Ventilsitzfläche 27 von Vorteil
ist. Bei Martensit als Gefügeart
in einem Eisenwerkstoff handelt es sich um ein Ferrit mit mehr Kohlenstoff,
als es dem Gleichgewichtszustand entspricht. Bedingt wird dies durch
diffusionslose Umklappvorgänge
bei der Entstehung aus dem Austenit. Nachteilig bei einem solchen
martensitischen Werkstoff ist jedoch das erhöhte Risiko der Bildung von Rissen
bei der Befestigung des Ventilsitzelements 26 an einem
das Ventilsitzelement 26 aufnehmenden Anschlussteil, wie
z. B. dem Ventilsitzträger 21,
die üblicherweise
mittels einer oder mehrerer Schweißnähte erfolgt.
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Um
dieser Rissbildung vorzubeugen, ist das Ventilsitzelement 26 mit
einem austenitischen Verbindungsteil 52 fest verbunden.
Das Verbindungsteil 52 ist beispielsweise ringförmig ausgeführt. An
seiner unteren, der Ventilsitzfläche 27 abgewandten
Stirnfläche 53 weist
das Ventilsitzelement 26 am äußeren Umfang eine Ausnehmung 54 auf,
die um 360° umläuft. In
diese Ausnehmung 54 wird das Verbindungsteil 52 eingesetzt.
Das Verbindungsteil 52 besitzt einen weitgehend quadratischen
bzw. rechteckförmigen
Querschnitt, wobei die Eckbereiche abgeflacht sein können, wie 2 zeigt.
Auf jeden Fall weist das Verbindungsteil 52 umlaufende
Bereiche auf, mit denen es an der Wandung der Ausnehmung 54 anliegt. Eine
feste und dichte Verbindung von Ventilsitzelement 26 und
Verbindungsteil 52 wird z. B. durch Löten erzielt.
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Die
eigentliche Befestigung des Ventilsitzelements 26 an dem
z.B. einen Teil des Ventilgehäuses bildenden
Anschlussteil, hier dem Ventilsitzträger 21, erfolgt im
Bereich des Verbindungsteils 52. Die feste und dichte Verbindung
von Verbindungsteil 52 und Ventilsitzträger 21 wird durch
eine umlaufende Schweißnaht 56 erzielt,
die z. B. mittels eines Lasers ringförmig an der Unterseite des
Ventils gesetzt wird. Das Verbindungsteil 52 wird beispielsweise
dermaßen
in die Ausnehmung 54 eingepasst, dass die unteren Stirnflächen 53, 53' von Ventilsitzelement 26 und
Verbindungsteil 52 bündig
abschließen.
Im unverschweißten
Zustand ist der Führungs-
und Sitzblock bestehend aus den Elementen 35, 47 und 26 so
weit in dem Ventilsitzträger 21 eingebracht,
dass die untere Stirnfläche 53 des
Ventilsitzelements 26 und damit auch die untere Stirnfläche 53' des Verbindungsteils 52 stromabwärts über eine
untere Stirnfläche 58 des
Ventilsitzträgers 21 überstehen.
Der axiale Abstand x zwischen den Stirnflächen 53' und 58 beträgt ca. 0,2
bis 0,5 mm. Eine solche Ausbildung hat den Vorteil, dass von dem
gut schweißbaren
Austenit des Verbindungsteils 52 in der Schmelze des Schweißbades ein Überschuss
entsteht.
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Die
sich durch das austenitische Verbindungsteil 52 ergebende
Werkstoffkombination erlaubt eine sehr sichere Schweißverbindung
des Ventilsitzelements 26 im Ventilsitzträger 21 indirekt über das
Verbindungsteil 52 mit einer erhöhten dynamischen Festigkeit
und einer deutlich reduzierten Gefahr der Rissbildung. Das Einlöten des
Verbindungsteils 52 in die Ausnehmung 54 des Ventilsitzelements 26 kann
kostensparend mit dem Härteprozess
des Ventilsitzes 26, 27 kombiniert werden.