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Einspritzventil
mit Ventilhaltekörper
mit optimierter Anlagefläche
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Bei
Kraftstoffeinspritzsystemen werden aus Gründen der Kraftstoffaufbereitung
immer höhere Kraftstoffdrücke eingesetzt.
Insbesondere bei Diesel-Einspritzsystemen der neuen Generation (Common-Rail-System)
oder bei direkteinspritzenden Benzin-Einspritzsystemen (HPDI) steht ein hoher
Druck ständig
und im gesamten Injektor/Einspritzsystem an. Konzeptbedingt gibt
es innerhalb des Injektors mehrere Kontaktflächen, durch die die Kraftstoffhochdruckbohrung,
die den Kraftstoff zur Einspritzdüse fördert, hindurch geführt werden
muss. An diesen Schnittstellen muss das Austreten des Kraftstoffes verhindert
werden. Hierzu müssen
die Flächenpressungen
in den entsprechenden Hochdruck-/ Dichtfugen in Abhängigkeit
vom jeweiligen Spitzendruck einen Mindestwert annehmen. Konzeptbedingt
wird die erforderliche Axialkraft über die Schulter der Düsenspannmutter
und die Schulter der Einspritzdüse
eingeleitet. Da die Stelle der Krafteinleitung/Kraftübertragung
auch zugleich die Stelle mit der bauraumbedingten höchsten Flächenpressung
darstellt, kommt es beim Verschraubungsvorgang immer wieder zu unzulässig hohen
Flächenpressungen,
die regelrecht zur Verschweißung
der Teile und damit zu deren Beschädigungen führen kann. Dabei werden sowohl
an der Düsenspannmutter
als auch an der Düsenschulter
Einkerbungen erzeugt, die die Festigkeit der Düsenspannmutter und eine ungleichmäßige Verteilung der
Spannkräfte
bewirkt. Dadurch besteht die Gefahr der erhöhten Flächenpressung, die bis zu einer
plastischen Verformung oder einer Verschweißung der Düsenspannmutter mit der Düsenschulter
führt.
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Aus
dem Stand der Technik
DE
195 23 243 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen
bekannt, das sich mit dem Problem beschäftigt, auch bei sehr hohen
Drücken
im Druckraum einen Bruch des Ventilkörpers sicher zu vermeiden. Dazu
werden in vorteilhafter Weise die zusammenwirkenden Flächen der
Spannmutter und des Ventilkörpers
in einem Konuswinkel angeordnet, wobei der Winkel des konischen
Ringabsatzes am Ventilkörper zur
Ventilgliedachse kleiner ist als der Winkel der konischen Ringschulter
an der Spannmutter in Bezug auf die Ventilgliedachse. Zudem ist
eine axiale Ringstirnfläche
am Ventilkörper
vorgesehen, die zwischen dem radial inneren Ende der konischen Ringabsatzfläche und
dem Ventilgliedschaft ausgebildet ist. Die Ringstirnfläche vereinfacht
die Herstellung der konischen Flächen
am Ventilkörper.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik
EP 0 783 626 B1 eine Kraftstoffeinspritzventilanordnung für Brennkraftmaschinen
bekannt, die sich mit dem Problem der Druckfestigkeit von Einspritzventilen
beschäftigt.
Zur Vermeidung eines Bruchs des Ventilkörpers auch bei sehr hohen Drücken von
etwa 1.800 bar im Druckraum wird eine Kombination aus zwei konisch
ausgebildeten Krafteinleitungsflächen
zwischen der Spannmutter und dem Ventilkörper und dem Brennkraftmaschinengehäuse und
der Spannmutter vorgeschlagen. Dadurch wird sowohl die Verspannkraft
der Spannmutter beim Verspannen des Ventilkörpers gegen den Haltekörper als
auch die Einspannkraft beim Einspannen des gesamten Einspritzventils
in das Gehäuse
der Brennkraftmaschine direkt auf den Ventilkörper eingeleitet, so dass sie dort
gemeinsam der Druckkraft des unter hohem Kraftstoffdruck stehenden
Druckraumes, insbesondere im Bereich des Spickels am Eintritt des
Zulaufkanals entgegenwirken. Dabei bewirkt insbesondere die konische
Ausbildung der Anlagefläche
an der Spannmutter und der Gegenanschlagfläche im Brennkraftmaschinengehäuse, dass
ein großer
Teil, der auf das Kraftstoffeinspritzventil aufgebrachten Einspannkraft
in eine radiale Komponente umgewandelt wird, die direkt auf den
konischen Ringabsatz des Ventilkörpers
im Bereich des Spi ckels übertragen
wird und zu einer möglichen
Stauchverformung des Ventilkörpers
im kritischen Bereich in Folge der sehr hohen dynamischen Druckbelastungen
entgegenwirkt. Die Neigungswinkel der Kegelflächen liegen dabei zwischen
10° und
60°, vorzugsweise
bei 30°.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Einspritzventil
für eine
Brennkraftmaschine bereit zu stellen, das eine verbesserte Druckübertragung
zwischen der Spannmutter und dem Ventilkörper ermöglicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch das Einspritzventil gemäß Anspruch
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ein
Vorteil des Einspritzventils liegt darin, dass eine größere Auflagefläche zwischen
der Spannmutter und dem Ventilkörper
zur Verfügung steht,
ohne dass es zu einer Beschädigung
des inneren Bereiches der Spannmutter am Ventilkörper kommt. Dieser Vorteil
wird dadurch erreicht, dass im Übergang
zwischen der Anlagefläche
und dem zweiten Zylinderabschnitt des Ventilkörpers seitlich eine Nut eingebracht
ist und dadurch bei Anlage der Spannmutter auf der Anlagefläche nahezu
keine seitliche Berührung
zwischen der Spannmutter und dem Ventilkörper erfolgt. Versuche haben
gezeigt, dass beim Verspannen der Spannmutter es zu einer Aufweitung
der Spannmutter kommt und dadurch der Randbereich der Öffnung der
Spannmutter zur Anlage am Ventilkörper gelangt. Somit wird der
innere Bereich der Spannmutter seitlich mit dem Ventilkörper verquetscht
und es kann keine Kraft von dem inneren Bereich der Spannmutter
auf den Ventilkörper übertragen
werden. Durch die Einbringung der Nut wird die zur Verfügung stehende
Anlagefläche,
die durch die Wandung des zweiten Zylinderabschnittes festgelegt
wird, optimal ausgenutzt. Da die Nut unterhalb der Anlagefläche angeordnet
ist, kommt es zu keiner Schwächung
der Anlagefläche
des Ventilkörpers,
so dass die gleiche Kraft über
die Spannmutter auf die Anlagefläche übertragen
werden kann.
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Vorzugsweise
sind die Anlagefläche
des Ventilkörpers
und die Spannfläche
der Spannmutter im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse
des Ventilkörpers
angeordnet. Dadurch wird eine gleichmäßige Druckbeanspruchung zwischen
der Anlagefläche
und der Spannfläche
erhalten. Somit können höhere Kräfte zwischen
der Anlagefläche
und der Spannfläche übertragen
werden.
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Vorzugsweise
ist im nicht verschraubten Zustand der Spannmutter eine Winkeldifferenz
von weniger als fünf
Winkelgraden zwischen der Anlagefläche und der Spannfläche ausgebildet.
Die geringe Winkeldifferenz sorgt dafür, dass die gesamte zur Verfügung stehende
Fläche
der Anlagefläche
in Anlage an die Spannfläche
gelangt. Insbesondere bei nicht plan ausgebildeten Anlageflächen oder
Spannflächen
ist die Ausbildung der Winkeldifferenz von Vorteil, um trotz der
Abweichung von der planen Fläche
eine größtmögliche Berührungsfläche zwischen der
Anlagefläche
und der Spannfläche
auszubilden. Im verschraubten Zustand beträgt, durch elastische Verformung
bedingt, die Winkeldifferenz 0°.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die umlaufende Nut einen abgerundeten Querschnitt auf. Der
abgerundete Querschnitt bietet den Vorteil, dass die Druckfestigkeit
des Ventilkörpers
in der Nut nicht erniedrigt ist, da spitze Kanten in der Nut vermieden
sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
geht die umlaufende Nut stufenlos aus der Anlagefläche hervor
und mündet
in einen ersten Krümmungsbereich,
der einen ersten Radius aufweist. Der erste Krümmungsbereich ist bis zu einer
seitlich tiefsten Stelle geführt.
Ausgehend von der seitlich tiefsten Stelle der Nut schließt sich
ein zweiter Krümmungsbereich
an. Der zweite Krümmungsbereich
weist einen zweiten Radius auf, der vorzugsweise größer als der
erste Radius ist. Der zweite Krümmungsbereich geht
in einen dritten Krümmungsbereich über, der
einen dritten Radius aufweist. Der dritte Radius ist vorzugsweise
kleiner als der zweite Radius ausgebildet. Der dritte Krümmungsradius
geht stufenlos in den zweiten Zylinderabschnitt über. Diese Ausführungsform
der Nut bietet eine hohe Druckfestigkeit des Ventilkörpers.
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Eine
weitere Erhöhung
der Druckfestigkeit des Einspritzventils wird dadurch erreicht,
dass der dritte Radius des dritten Krümmungsbereichs annähernd gleich
groß dem
ersten Radius des ersten Krümmungsbereichs
ausgebildet ist.
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Weiterhin
wird die Druckfestigkeit des Einspritzventils dadurch verbessert,
dass die Anlagefläche
am äußeren Randbereich
eine Abschrägung
aufweist. Durch die Abschrägung
wird vermieden, dass eine Verkantung zwischen der Anlagefläche im äußeren Bereich
und der Spannmutter im äußeren Bereich
auftritt. Dies ist insbesondere von Vorteil, da Versuche ergeben
haben, dass die Spannmutter beim Verschrauben mit dem Ventilhaltekörper sowohl im
inneren Bereich nach innen als auch im äußeren Bereich nach außen verquetschen
kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Einspritzventil mit einem
Ventilhaltekörper 1 und
einem Ventilkörper 2,
wobei der Ventilkörper 2 an einer
Dichtfläche 4 am
Ventilhaltekörper 1 anliegt. Der
Ventilkörper 2 wird
von einer Spannmutter 9 gegen den Ventilhaltekörper 1 gedrückt. Die
Spannmutter 9 ist in Form einer abgestuften Hülse ausgebildet und über eine
Schraubverbindung mit dem Ventilhaltekörper verschraubt. Im Einspritzventil
ist eine Kraftstoffbohrung 3 ausgebildet, die durch den
Ventilhaltekörper 1 in
den Ventilkörper 2 bis
zu einem Kraftstoffraum 5 geführt ist. Dabei ist die Kraftstoffbohrung 3 durch
die Dichtfläche 4 geführt.
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Bei
modernen Einspritzventilen werden sehr hohe Kraftstoffdrücke von
bis zu 2.000 bar in der Kraftstoffbohrung 3 geführt, so
dass eine Abdichtung der Dichtfläche 4 zwischen
dem Ventilhaltekörper 1 und
dem Ventilkörper 2 für die hohen
Drücke
gewährleistet
sein muss. Deshalb ist es erforderlich, dass die Spannmutter 9 mit
großer
Kraft den Ventilkörper 2 gegen
den Ventilhaltekörper 1 presst.
Dazu weist die Spannmuter 9 eine Spannfläche 10 auf,
die einer Anlagefläche 11 des
Ventilkörpers 2 zugeordnet
ist. Der Ventilkörper 2 weist
eine mittige Bohrung 12 auf, in der eine Ventilnadel 6 axial
beweglich geführt
ist. Die mittige Bohrung 12 weitet sich in einem unteren
Bereich in den Kraftstoffraum 5 auf, der sich bis zu der Spitze
des Ventilkörpers 2 ringförmig um
die Ventilnadel 6 erstreckt. An der Spitze der Ventilnadel 6 ist eine
konische Dichtfläche
ausgebildet, die einem Dichtsitz der mittigen Bohrung 12 zugeordnet
ist. Unterhalb des Dichtsitzes sind Einspritzlöcher 7 angeordnet.
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Das
obere Ende der Ventilnadel 6 ist einem Stößel 8 zugeordnet,
der von einem Aktor betätigt wird.
Die Ventilnadel 6 weist im Bereich des Kraftstoffraumes 5 Druckflächen auf,
an denen der Kraftstoffdruck angreift und die Ventilnadel 6 vom
Dichtsitz abheben will. Jedoch wird über den Stößel 8 die Ventilnadel 6 auf
den Dichtsitz gedrückt.
Wird die Belastung des Stößels 8 durch
den Aktor reduziert, so hebt die Ventilnadel 6 durch den
Druck im Kraftstoffraum 5 vom Dichtsitz ab, so dass eine
Verbindung zwischen dem Kraftstoffraum 5 und den Einspritzlöchern 7 vorliegt.
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Der
Ventilkörper 2 weist
einen ersten, oberen Zylinderabschnitt 13 auf, der über die
ringförmige
Anlagefläche 11 in
einen zweiten Zylinderabschnitt 14 übergeht. Der zweite Zylinderabschnitt 14 weist
einen kleineren Außendurchmesser
als der erste Zylinderabschnitt 13 auf. Einspritzventil
nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in unverschraubten und in verschraubten
ein Mindestzustand (B) zwischen dem Innendurchmesser der Öffnung (18)
und dem Außen durchmesser des
zweiten Zylinderabschnitts (14) vorhanden ist.
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In
unverschraubten und in verschraubten Zustand ist ein vorgegebener
Mindestzustand B zwischen dem Innendurchmesser der Öffnung 18 und dem
Außendurchmesser
des zweiten Zylinderabschnitts 14 vorhanden.
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Die
Spannmutter 9 weist einen unteren ersten Hülsenabschnitt 15 auf,
der über
die ringförmige Spannfläche 10 in
einen oberen zweiten Hülsenabschnitt 16 übergeht.
Der erste, untere Hülsenabschnitt 15 ist
dem zweiten Zylinderabschnitt 14 und der zweite Hülsenabschnitt 16 ist
im ersten Zylinderabschnitt 13 zugeordnet. Der zweite Hülsenabschnitt 16 ist
bis zu dem Ventilhaltekörper 1 geführt und über eine
Schraubverbindung mit dem Ventilhaltekörper 1 verschraubt.
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Die
Außenkontur
des Ventilkörpers 2 und
die Innenkontur der Spannmutter 9 sind im Wesentlichen radial
symmetrisch zur Mittensymmetrieachse 22 des Einspritzventils
ausgebildet.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
eines Teilausschnittes des Einspritzventils der 1. Im Übergangbereich
zwischen dem zweiten Zylinderabschnitt 14 und der Anlagefläche 11 ist
seitlich in den Ventilkörper 2 eine
ringförmige
umlaufende Nut 17 in Form eines Freistiches eingebracht.
Die Nut 17 sorgt dafür,
dass die Spannmutter 9 an der inneren Kante der Spannfläche 10 nicht
seitlich an den Ventilkörper 2 angrenzt.
Es ist ein ausreichender Abstand zwischen der seitlichen Wandung
des Ventilkörpers 2,
d. h. der Seitenfläche
des zweiten Zylinderabschnittes 14 und der Innenseite der
Spannmutter 9 im Bereich der Spannfläche 10 ausgebildet.
Auf diese Weise wird vermieden, dass bei einer nach innen gerichteten
Aufweitung der Spannfläche 10 der
Spannmutter 9 eine seitliche Verquetschung zwischen der Spannmutter 9 und
dem zweiten Zylinderabschnitt 14 des Ventilkörpers 2 auftritt.
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Damit
kann eine vergrößerte Berührungsfläche in Richtung
auf den Ventilkörper 2 zwischen
der Spannfläche 10 und
der Anlagefläche 11 ausgenutzt werden.
Somit kann ein Innendurchmesser der mittigen Bohrung 18 der
Spannmutter 9, durch die der Ventilkörper 2 geführt ist,
im Wesentlichen an den Außendurchmesser
des zweiten Zylinderabschnittes 14 angepasst werden. Somit
liegt bei gleichbleibenden Geometrien eine vergrößerte Berührungsfläche zwischen der Anlagefläche 11 und
der Spannfläche 10 vor.
Die Spannfläche 10 geht
in Richtung auf den zweiten Zylinderabschnitt 14 in einen
ersten Krümmungsbereich 19 mit
einem ersten Krümmungsradius
R1 über.
Der erste Krümmungsbereich 19 erstreckt
sich vorzugsweise bis zur tiefsten Stelle der seitlich eingebrachten
Nut 17. Der erste Krümmungsbereich 19 geht
stufenlos in einen zweiten Krümmungsbereich 20 mit
einem zweiten Radius R2 über. Der
zweite Krümmungsbereich 20 geht
stufenlos in einen dritten Krümmungsbereich 21 mit
einem dritten Radius R3 über.
Der dritte Krümmungsbereich 21 geht
stufenlos in die Außenwandung
des zweiten Zylinderabschnittes 14 über. Vorzugsweise sind der erste
und der dritte Radius R1, R3 annähernd
gleichgroß.
Der zweite Radius ist vorzugsweise größer als der erste Radius ausgebildet.
Vorteilhaft ist die Nut 17 als kontinuierliche Krümmung ohne
Kanten ausgebildet. Dadurch wird die Druckfestigkeit des Ventilkörpers 2 nicht
beeinträchtigt.
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Die
Spannfläche 10 und
die Anlagefläche 11 sind
vorzugsweise senkrecht zur Mittensymmetrieachse 22 des
Ventilkörpers 2 angeordnet.
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3 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
eines Einspritzventils, das sich im Wesentlichen gegenüber der
Ausführungsform
der 1 darin unterscheidet, dass zwischen der Anlagefläche 11 und
der Spannfläche 10 ein
Differenzwinkel α von wenigen
Winkelgraden ausgebildet ist. Maximal beträgt der Differenzwinkel α fünf Winkelgrade.
Je nach Ausführungsform
können
dabei entweder die Spannfläche 10 und/oder
die Anlagefläche 11 etwas
gegenüber
einer 90° Lage
in Bezug auf die Mittensymmetrieachse 22 abweichen. 3 zeigt
die Spannmutter 9 vor dem Verschrauben mit dem Ventilhaltekörper 1. In
dieser Lage ist zwischen der Spannfläche 10 und der Anlagefläche 11 ein
geringer Abstand ausgebildet. Der in 3 dargestellte
Differenzwinkel α wird beim
Festschrauben der Spannmutter 9 mit dem Ventilhaltekörper 1 ausgeglichen,
d. h. der Differenzwinkel beträgt
dann 0°.
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4 zeigt
die Ausführungsform
der 3 nach dem Verschrauben der Spannmutter 9.
Dabei liegt die Spannfläche 10 auf
der Anlagefläche 11 auf.
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In
der Ausführungsform
gemäß 3 weist die
Anlagefläche
11 im Übergangsbereich
zwischen der Anlagefläche 11 und
der Außenfläche des
ersten Zylinderabschnittes 13 eine Abschrägung 23 auf.
Die Abschrägung 23 sorgt
dafür,
dass die Anlagefläche 11 beim
Verschrauben der Spannmutter 9 mit dem Ventilhaltekörper 1 nicht
seitlich mit dem zweiten Hülsenabschnitt 16 der
Spannmutter 9 verspannt und dadurch eine ungleichmäßige Druckbeaufschlagung stattfindet.
Auch in der Ausführungsform
der 3 ist im Übergangsbereich
zwischen der Anlagefläche 11 und
dem zweiten Zylinderabschnitt 14 eine Nut 17 eingebracht.
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5 unterscheidet
sich von 4 durch die Spannfläche 10,
die radial nach innen über
eine Abschrägung 24 in
den zylindrischen Innenfläche 25 übergeht.
Dadurch wird vorteilhaft die innerste kreisförmige Kontaktlinie 26 zwischen
der Anlagefläche 11 und
der Spannfläche 10 radial
nach außen
verschoben, wobei die Abschrägung
vorzugsweise einen Winkel von etwa 45° erhält.