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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Kraftstoffeinspritzventile werden zur Zerstäubung von Kraftstoff in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Insbesondere, sofern es sich um eine so genannte Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum bei einem als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotors handelt, ist der Kraftstoff, unter anderem mit Hilfe des Düsenkopfes, sehr fein zu zerstäuben. Eine Verbrennung des Ottomotors beruht auf dem Prinzip der homogenen Verbrennung, welche, zur Erzeugung einer möglichst vollständigen Verbrennung, ein feines Gemisch von im Brennraum vorhandener Luft und dem eingespritzten Kraftstoff erfordert.
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Mit Hilfe der Direkteinspritzung wird der Kraftstoff bei Ottomotoren heutiger Verbrennungsmotoren direkt in den Brennraum eingespritzt, wodurch gegenüber einem älteren Prinzip der Einbringung von Kraftstoff, die so genannte Saugrohreinspritzung der Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs erwirkt wird. Des Weiteren kann eine Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems des Verbrennungsmotors mit Hilfe der Direkteinspritzung erheblich verbessert sein.
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Ein weiterer Vorteil der Direkteinspritzung ist die Ermöglichung einer verbesserten Elastizität des Verbrennungsmotors hinsichtlich seines Ansprechverhaltens im dynamischen Betrieb, da der Kraftstoff wesentlich schneller in den Brennraum gelangt, als bei der Saugrohreinspritzung, bei welcher der Kraftstoff zusammen mit der über das Einlassventil einströmenden Verbrennungsluft in den Brennraum einströmt.
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Zur Steigerung einer spezifischen Motorleistung des Verbrennungsmotors sowie zur weiteren Annäherung an eine vollständige Verbrennung ist das Ziel einen Spitzendruck im Zylinder des Verbrennungsmotors von weit über den bisherigen vorherrschenden Spitzendrücken zu erreichen. Derzeit arbeiten Verbrennungsmotoren bei Spitzendrücken von ca. 250 bar oder weniger.
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Zur Sicherung einer Dichtheit zwischen dem Einspritzventil und einer Kraftstoffverteilerleiste der Saugrohreinspritzung ist üblicherweise ein Dichtring in Form eines O-Ringes aus einem speziellen gummiartigen Kunststoff zwischen dem Einspritzventil und der Kraftstoffleiste ausgebildet. Der Kunststoff weist eine bestimmte Zusammensetzung auf, so dass ein Abdichten bei üblichen Betriebsdrücken und -temperaturen des Verbrennungsmotors und unterschiedlichen, bislang herkömmlichen Kraftstoffen gesichert ist.
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Problematisch ist, dass die üblichen Dichtelemente, wie der Dichtring in Form eines O-Ringes, aus speziellen gummiartigen Kunststoffen bis zu einer bestimmten Druck- und Temperaturgrenze ausgelegt sind. Bei einer weiteren Steigerung des Spitzendruckes ist keine zufriedenstellende Dichtwirkung mehr erzielbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer verbesserten Abdichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil weist einen durchströmbaren Ventilkörper mit einer Längsachse auf. Der Ventilkörper ist an einem ersten Ende zur Befestigung mit einer Zufuhrvorrichtung zur Zuführung eines Fluids ausgestaltet. An einem vom ersten Ende abgewandt ausgebildeten zweiten Ende des Ventilkörpers ist ein Düsenkopf zur Zerstäubung des Fluids angeordnet. Im Bereich des ersten Endes des Ventilkörpers ist zur Abdichtung des Ventilkörpers gegenüber der Zufuhrvorrichtung, welche bspw. in Form einer Kraftstoffleiste ausgeführt ist, ein Dichtelement ausgebildet, welches aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist. Bei dem Fluid handelt es sich insbesondere um Benzin.
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Im Vergleich zu den mit einem üblicherweise aus einem gummiartigen Werkstoff hergestellten Dichtelementen bestückten Kraftstoffeinspritzventilen besteht der Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils darin, dass das mit einem aus dem metallischen Werkstoff ausgebildeten Dichtelement versehene Kraftstoffeinspritzventil auch unter den geforderten Drücken und unter hohen Temperaturen eingesetzt werden kann und eine sichere Abdichtung realisierbar ist.
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Gummiartige Werkstoffe, in der Regel Kunststoffe, oder bspw. natürlicher Kautschuk, weisen ihre Funktionalität, d. h. ihre Elastizität nur bis zu einer bestimmten Druck- und Temperaturgrenze auf, welche weit unter den geforderten Drücken und/oder Temperaturen liegt. Sofern ein Überschreiten ihrer Druck- und Temperaturengrenzen eintritt, werden sie spröde, zerfallen, verlieren ihre Elastizität oder können aufgrund einer zu großen Kompressibilität ihre Dichtfunktion nicht mehr erfüllen.
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Metallische Werkstoffe hingegen weisen eine wesentlich höhere Druck- und Temperaturgrenze auf, so dass das aus einem metallischen Werkstoff hergestellte Dichtelement seine Abdichtwirkung auch bei den geforderten hohen Drücken und Temperaturen beibehält.
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Bevorzugt ist das Dichtelement zur gesicherten Abdichtung den Ventilkörper vollumfänglich umfassend ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, der Ventilkörper weist das Dichtelement über einen gesamten Umfang im Bereich des ersten Endes auf.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils ist das Dichtelement hohl ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund des in Form eines Hohlkörpers ausgeführten Dichtelementes, dieses eine hohe Elastizität aufweist. Es kann bis zu einer bestimmten Druckgrenze zusammengedrückt werden, bspw. beim Fügen des Kraftstoffeinspritzventils und der Zuführvorrichtung, ohne plastisch verformt zu werden und dadurch möglicherweise seine Dichtwirkung zu verlieren.
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Insbesondere ist der Vorteil des hohl ausgebildeten Dichtelementes, dass es befüllbar ist. Zur Abdichtung gegen einen im Brennraum herrschenden Druck von über 200 bar resp. 20 MPa und hohen Temperaturen ist das Dichtelement mit einem unter Druck stehenden Gases befüllbar. Der Druck des Gases erhöht sich bei steigenden Temperaturen und kann somit z. B. ein anfängliches Spannungsdefizit einer zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil und der Zuführvorrichtung ausgebildeten Flanschverbindung kompensieren, wodurch die Abdichtungswirkung gesteigert wird.
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Des Weiteren dämpft das im Dichtelement eingeschlossene Gas von dem Verbrennungsmotor hervorgerufene Schwingungen, welche sich auf die mit dem Verbrennungsmotor verbundene Zuführvorrichtung übertragen und trägt so zu einer Geräuschreduzierung bei.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil ist insbesondere auch unter den bisherigen Betriebsbedingungen bevorzugt, insbesondere gegenüber einem gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Kraftstoffeinspritzventil, einzusetzen bei Anwendung neuer und/oder gegenüber gummiartigen Werkstoffen aggressiver Kraftstoffe, wie bspw. Methanol oder Ethanol.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit dem Kraftstoffeinspritzventil und mit der Zuführvorrichtung angegeben. Die Zuführvorrichtung weist vorzugsweise ein Kraftstoffverteilerrohr auf, das für einen Betriebsdruck des Kraftstoffs von 350 bar oder mehr, insbesondere von bis zu 500 bar, ausgelegt ist, und das über die Zuführvorrichtung hydraulisch mit dem Kraftstoffeinspritzventil gekoppelt ist.
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Die Zuführvorrichtung weist bevorzugt eine Kappe auf, die auf das erste Ende des Ventilkörpers aufgesteckt ist und das erste Ende vollständig lateral umläuft. Das Dichtelement ist insbesondere in radialer Richtung zwischen dem ersten Ende und der Kappe angeordnet. Mit Vorteil kann auf diese Weise ein Innenraum der Kappe, in dem das erste Ende aufgenommen ist, an seinem stromabwärtigen Ende fluiddicht abgeschlossen sein.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Dichtelement gegenüber einem Innenquerschnitt der Kappe derart überdimensioniert, dass es beim Aufstecken der Kappe radial zusammengedrückt wird und in radialer Richtung zwischen dem ersten Ende und der Kappe eingespannt ist. Anders ausgedrückt ist das Dichtelement im eingebauten Zustand vom ersten Ende und der Kappe radial gegenüber einem spannungslosen Zustand komprimiert. Auf diese Weise ist eine gute Dichtwirkung erzielbar.
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Mit Vorteil kann mit Hilfe des Dichtelementes zwischen dem Ventilkörper und der Zuführvorrichtung eine Abdichtung sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung erzielt sein. Beispielsweise ist das Dichtelement zwischen einer um die Längsachse umlaufenden Außenfläche des ersten Endes des Ventilkörpers und einer die Längsachse umlaufenden Innenfläche der Kappe angeordnet, so dass es diese berührt und insbesondere zwischen diesen radial eingespannt ist. Zudem kann das Dichtelement axial zwischen einer Stufe der Kappe und einer Stufe des Ventilkörpers angeordnet sein, insbesondere derart, dass es lateral mit einer Querfläche jeder Stufe überlappt. Unter ”Querfläche” wird dabei eine Fläche verstanden, die sich – vorzugsweise eben – in radialer Richtung erstreckt und insbesondere eine Flächennormale hat, die parallel zur Längsachse ist. Das Dichtelement ist bevorzugt axial zwischen den Querflächen eingespannt. Es berührt diese beispielsweise direkt oder ein Stützring (manchmal vom Fachmann auch als ”back-up ring” bezeichnet) ist in axialer Richtung zwischen einer Querfläche und dem Dichtelement angeordnet, so dass insbesondere der Stützring die Querfläche und das Dichtelement den Stützring berührt.
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Im Vergleich zu einem aus O-Ring, der entweder in axialer Richtung oder in radialer Richtung abdichtet, ist eine gleichzeitig in axialer und radialer Richtung erwirkte Abdichtung mit dem aus einem metallischen Werkstoff hergestellten Dichtelement verbessert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Es zeigen:
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1 in einem Längsschnitt ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik,
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2 in einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil, und
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3 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt aus dem Kraftstoffeinspritzventils gem. 2.
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Ein bekanntes Kraftstoffeinspritzventil 10 für einen nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor ist gemäß 1 ausgeführt. Es umfasst einen Ventilkörper 12 mit einer Längsachse 14. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist an einem ersten Ende 16 des Ventilkörpers 12 in einer – in 2 abschnittsweise dargestellten Kappe 18, manchmal vom Fachmann auch als Injektorbecher (”injector cup”) bezeichnet – einer Kraftstoffleiste einer Einspritzanlage zur Zuführung eines Fluids, in der Regel Kraftstoff für Verbrennungsmotoren, aufgenommen ist. Mittels der Kappe 18 ist der Ventilkörper 12 hydraulisch mit der Kraftstoffleiste (auch ”Kraftstoffrohr” genannt) der Einspritzanlage gekoppelt, so dass Kraftstoff vom Kraftstoffrohr durch die Kappe 18 in den Ventilkörper 12 fließen kann.
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Zur Abdichtung des Kraftstoffeinspritzventils 10 gegenüber der Kraftstoffleiste ist ein Dichtelement 20 im Bereich des ersten Endes 16 angeordnet, welches den Ventilkörper 12 über dessen Umfang vollständig umfasst, so dass eine Abdichtung gesichert ist. Das Dichtelement 20 ist aus einem speziellen gummiartigen Kunststoff ausgebildet, in Form eines typischen O-Rings.
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An einem vom ersten Ende 16 abgewandt ausgebildeten zweiten Ende 22 des Ventilkörpers 12 ist der Düsenkopf 24 zur Zerstäubung des Fluids angeordnet.
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Der Düsenkopf 24 ist an dem zweiten Ende 22 des Kraftstoffeinspritzventils 10 positioniert, welches in einem nicht näher dargestellten Brennraum eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors angeordnet ist. Das bedeutet, dass Kraftstoff, welcher mit Hilfe der Kraftstoffeinspritzdüse dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Insbesondere ist es wichtig für einen optimalen, d. h. effizienten und emissionsarmen Betrieb des Verbrennungsmotors, dass der Kraftstoff mit Hilfe der Kraftstoffeinspritzdüse in sehr feinen Tröpfchen, so zusagen fein zerstäubt, dem Brennraum zugeführt wird. Diese feine Zerstäubung führt zu einer schnellen Kraftstoffaufbereitung, d. h. einer Gemischbildung zwischen dem in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff und einer im Brennraum bereits, in der Regel teilweise komprimierten Verbrennungsluft.
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Insbesondere die Kraftstoffaufbereitung bei einem als Ottomotor oder Benzinmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor stellt hohe Ansprüche an die feine Zerstäubung. Denn diese Art des Verbrennungsmotors funktioniert basierend auf einer so genannten Fremdzündung, d. h. ein mit Hilfe der Gemischbildung im Brennraum vorliegendes Kraftstoff-Luftgemisch wird mit Hilfe einer Zündkerze entflammt. Diese Form der Zündung erfordert ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch, damit eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches herbeigeführt werden kann. Da dies in sehr kurzer Zeit innerhalb eines Einspritzzyklus erforderlich ist, besteht die Notwendigkeit einer feinen Zerstäubung mit Hilfe des Kraftstoffeinspritzventils. Die Zerstäubung kann umso feiner sein, je höher der Kraftstoffdruck in der Einspritzanlage und im Einspritzventil ist.
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Um eine fluiddichte hydraulische Kopplung zwischen Kappe 18 und Ventilkörper 12 bei hohen Kraftstoffdrücken zu gewährleisten weist das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil 10 ein Dichtelement 20 auf, welches aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, s. 2 und 3.
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Das Dichtelement 20 ist ringförmig ausgebildet und weist eine ovale Querschnittsfläche 28 auf. Zur Befüllung des Dichtelementes 20 mit einem Gas ist das Dichtelement 20 hohl ausgeführt. Mit anderen Worten ist das Dichtelement 20 ein hohler metallener Ring. So kann das mit dem Dichtelement 20 ausgebildete Kraftstoffeinspritzventil 10 bei besonders hohen Kraftstoff-Betriebsdrücken von über 200 bar eingesetzt werden. Die Einspritzanlage ist insbesondere für einen Betriebsdruck des Kraftstoffs von 350 bar oder mehr, insbesondere von bis zu 500 bar, ausgelegt.
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Das in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Dichtelement 20 besitzt eine ovale ringförmige Querschnittsfläche 28. Ebenso könnte es eine kreisrunde ringförmige Querschnittsfläche 28 aufweisen. Ebenso ist jede mögliche Form für die Querschnittsfläche 28 denkbar.
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Die Kappe 18 ist auf das erste Ende 16 des Ventilkörpers 12 aufgesteckt und umläuft das erste Ende 16 lateral vollständig. Das Dichtelement 20 ist zwischen einer um die Längsachse 14 umlaufenden Außenfläche des ersten Endes 16 des Ventilkörpers 12 und einer die Längsachse 14 umlaufenden Innenfläche der Kappe 18 angeordnet, so dass es diese beiden Flächen berührt und zwischen diesen beiden Flächen radial eingespannt ist.
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Zudem ist das Dichtelement 20 axial zwischen einer Stufe der Kappe 18 und einer Stufe des Ventilkörpers 12 angeordnet, so dass es lateral mit einer radial verlaufenden Querfläche jeder der Stufen überlappt und zwischen diesen eingespannt ist. Dabei vergrößert sich der Innenquerschnitt der Kappe 18 an der Stufe der Kappe 12 in Längsrichtung vom ersten Ende 16 zum zweiten Ende 22 hin. An der Stufe des Ventilkörpers 12 vergrößert sich der Außenquerschnitt des Ventilkörpers 12 in Längsrichtung vom ersten Ende 16 zum zweiten Ende 22 hin. Bei einer Ausgestaltung (siehe z. B. 3) berührt das Dichtelement 20 die beiden Querflächen. Alternativ kann auch ein Stützring axial zwischen dem Dichtelement 20 und einer der Stufen angeordnet sein, so dass die Querfläche dieser Stufe, der Stützring und das Dichtelement 20 aufeinander folgen und der Stützring anstelle des Dichtelements 20 auf der Querfläche aufliegt. Das Dichtelement 20 berührt in diesem Fall insbesondere den Stützring an seiner gegenüberliegenden, von der Auflagefläche an der Querfläche abgewandten, Seite.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Dichtelement gegenüber einem Innenquerschnitt der Kappe derart überdimensioniert, dass es beim Aufstecken der Kappe radial zusammengedrückt wird und in radialer Richtung zwischen dem ersten Ende und der Kappe eingespannt ist. Anders ausgedrückt ist das Dichtelement im eingebauten Zustand vom ersten Ende und der Kappe radial gegenüber einem spannungslosen Zustand komprimiert. Auf diese Weise ist eine gute Dichtwirkung erzielbar.
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Das Dichtelement 20 kann an seiner Außenfläche 26 eine Beschichtung aufweisen, so dass die Dichtfunktion auch bei einem Einsatz aggressiver Fluids bzw. Brennstoffen wie Methanol oder Ethanol gesichert ist. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Dichtelement 20 eloxiert.
