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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für eine
Brennkraftmaschine mit mindestens einem in einem Gehäuseteil
angeordneten Ventilglied, das durch seine Bewegung entgegen der
elastischen Kraft eines in Axialrichtung verformbaren Federelementes
die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum der Brennkraftmaschine steuert.
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Kraftstoffeinspritzventile
bzw. Kraftstoffinjektoren der vorstehend genannten Art sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird hier auf die Druckschrift
DE 103 22 672 A1 verwiesen.
Das hierin beschriebene Ventil umfasst einen Haltekörper mit
einem Aufnahmeraum für eine piezoelektrische Aktuator-Einheit
und ein hydraulisches Kopplermodul. Das Kopplermodul weist einen
mittels der Aktuator-Einheit betätigbaren Stellkolben sowie
einen Betätigungskolben auf, der über einen hydraulischen Koppler
mit dem Stellkolben in Wirkverbindung steht. Der Betätigungskolben
wirkt auf ein Ventilschließglied ein, das wiederum mit
mindestens einem Ventilsitz zusammenwirkt. In Abhängigkeit
von seiner Stellung bewirkt oder verhindert das Ventilschließglied eine
Druckentlastung im Ventilraum und damit in einem mit dem Ventilraum über
eine Ablaufdrossel verbundenen Ventilsteuerraum, der zur Betätigung
eines Ventilsteuerkolbens und dieser wiederum zur Betätigung
der Düsennadel dient. Über das jeweils eingestellte
Druckniveau im Ventilsteuerraum kann somit das Öffnen und
Schließen der Einspritzöffnungen gesteuert werden.
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Das
Ventilschließglied des in der
DE 103 22 672 A1 beschriebenen
Ventils ist über eine Schraubenfeder axial gegenüber
einem ersten als Flachsitz in einer Ventilplatte ausgebildeten Ventilsitz
vorgespannt. In dieser Schließstellung verhindert das Ventilschließglied
ein Rückfließen des Fluidstroms und somit eine
Druckentlastung im Ventilraum bzw. im Ventilsteuerraum, so dass über
den an der Düsennadel anliegenden Steuerdruck die Düsennadel
in ihrem Dichtsitz gehalten wird. Soll eine Einspritzung erfolgen,
muss das Ventilschließglied entgegen der in Axialrichtung
wirkenden Druckkraft der Schraubenfeder aus der Schließstellung
in eine Öffnungsstellung bewegt werden. Bei Einsatz einer
Schraubenfeder als Ventilfeder können jedoch Querkräfte
auftreten, die während der Öffnungs- und/oder
Schließbewegungen des Ventilschließgliedes zu
einem Verkippen des Ventilschließgliedes führen.
Dies wiederum hat in der Regel einen erhöhten Verschleiß am
Ventilsitz sowie am Ventilschließglied selbst zur Folge.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Ventil der eingangs genannten Art derart
weiter zu entwickeln, dass die vorstehend genannten Nachteile verhindert oder
zumindest gemindert werden. Insbesondere soll ein Verkippen des
Ventilgliedes verhindert und damit der Verschleiß am Ventilglied
und/oder an einem mit dem Ventilglied zusammenwirkenden Ventilsitz
verringert werden.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist
das Ventilglied des Kraftstoffeinspritzventils zumindest teilweise
in einer Dichthülse axial geführt. Durch die axiale
Führung wird einem unerwünschten Verkippen des
Ventilgliedes entgegen gewirkt. Erfindungsgemäß ist
des Weiteren ein zweites Federelement vorgesehen, das die Dichthülse
zumindest teilweise umgibt und diese zur Lagefixierung mit einer
Druckkraft in axialer und/oder radialer Richtung beaufschlagt. Durch
die Lagefixierung der Dichthülse ist sichergestellt, dass
die Dichthülse ihre Führungsfunktion auch erfüllt.
Denn die Druckkraft des zweiten Federelementes verhindert, dass
die Dichthülse ihre axiale Lage verändert und/oder
eine Schrägstellung einnimmt. Der Einsatz eines weiteren
Federelementes bewirkt eine Entkopplung der Axialkräfte
der Federelemente, so dass das erste Federelement vorrangig das
Ventilglied gegen den Ventilsitz und das zweite Federelement die Dichthülse
gegen eine dem Ventilsitz axial gegenüber liegende Aufstandsfläche
drückt. Dabei wird die Dichthülse mit einer Druckkraft
in Axialrichtung beaufschlagt, welche die Dichthülse in
Anlage mit einem den Ventilraum begrenzenden Gehäuseteil,
vorzugsweise einer Drosselplatte, hält. Durch die dichtend
an der Drosselplatte anliegende Dichthülse und die Stirnfläche
des in der Dichthülse geführten Abschnittes des
Ventilgliedes wird ein Druckraum begrenzt, der druckentlastet ist,
das heißt, in dem nicht der Kraftstoffdruck des Steuerventilraums
bzw. des Ventilraumes anliegt. Somit wird auch der in der Dichthülse
geführte Abschnitt des Ventilgliedes druckentlastet, so
dass eine geringere Druckkraft erforderlich ist, um das Ventilglied
aus dem Ventilsitz zu heben. Neben der vorstehend bereits genannten Führungsfunktion
besitzt die Dichthülse demnach auch eine Dichtfunktion,
die die Ausbildung eines Niederdruckraumes gewährleisten
und eine Spaltleckage im Bereich der Aufstandsfläche der
Dichthülse minimieren soll. Die Axialkraft des zweiten
Federelementes mit der die Dichthülse beaufschlagt wird
stellt sicher, dass die Dichthülse ihre Führungs-
und Dichtfunktion in jedem Betriebszustand erfüllt. Denn
durch die in Axialrichtung wirkende Druckkraft wird verhindert,
dass die Dichthülse eine Schrägstellung einnimmt
und/oder von der Drosselplatte abhebt. Unterstützend kann
die Dichthülse auch mit einer Druckkraft in radialer Richtung
beaufschlagt werden, wenn das zweite Federelement zudem außenumfangseitig an
der Dichthülse anliegt und somit die Dichthülse
in Bezug auf seine radiale Lage fixiert.
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Das
erste Federelement ist vorzugsweise an einem Federkragen des Ventilgliedes
und an der Dichthülse abgestützt. Das zweite Federelement
ist an der Dichthülse, vorzugsweise an einer radial verlaufenden
Schulter der Dichthülse, und an einem Gehäuseteil
des Kraftstoffeinspritzventils abgestützt. Das Gehäuseteil
kann hierzu beispielsweise einen radial verlaufenden Absatz aufweisen.
Weiterhin vorzugsweise ist das Gehäuseteil eine Ventilplatte,
die zwischen einem Haltekörper und einer Drosselplatte des
Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist und in der ein Ventilraum
zur Aufnahme des Ventilgliedes ausgebildet ist. Der radial verlaufende
Absatz stellt in diesem Fall einen in den Ventilraum vorspringenden Absatz
dar, durch den der Ventilraum eine Verengung erfährt.
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Des
Weiteren vorzugsweise ist das zweite Federelement axial vorgespannt.
Das heißt, die Gesamthöhe H' des zweiten Federelementes
ist unter Vorspannung geringfügig kleiner als die Gesamthöhe H
im entspannten Zustand. Die Gesamthöhe H ist vor zugsweise
geringfügig größer als der axiale Abstand
zwischen der Schulter der Dichthülse und dem radial verlaufenden
Absatz des Gehäuseteils gewählt, an denen das
zweite Federelement vorzugsweise abgestützt ist. Beim Zusammenbau
des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt dann eine elastische Verformung
des zweiten Federelementes, welche die Vorspannung bewirkt. Vorzugsweise
nimmt das zweite Federelement bei der Verformung die Umrissform eines
Hyperboloids an. Das heißt, dass sich die Umfangsflächen
des zweiten Federelementes, welche die Dichthülse umgeben,
vorzugsweise nach radial innen biegen und somit einen bogenförmigen
Verlauf annehmen. Dabei kann die Bogenform derart stark ausgeprägt
sein, dass sich die Umfangsflächen des Federelementes an
den Außenumfang der Dichthülse anlegen und diese
zusätzlich mit einer Druckkraft in radialer Richtung beaufschlagen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Federelement
als Bügelhülse mit zwei axial zueinander beabstandeten
Ringabschnitten sowie mehreren, die Ringabschnitte verbindenden
Bügeln ausgebildet. Die jeweils außen liegenden
Stirnflächen der beiden Ringabschnitte bilden die Anlageflächen,
mit denen das zweite Federelement an der Dichthülse, vorzugsweise
einer Schulter der Dichthülse, und an einem radial verlaufenden,
in den Ventilraum vorspringenden Absatz eines Gehäuseteils, vorzugsweise
der Ventilplatte anliegt. Die Bügel erfahren unter axialer
Vorspannung des Federelementes eine Verformung, bei der sie eine
leicht nach radial innen gebogene Form annehmen. Aufgrund der Biegung
nach radial innen können die Bügel in einem Teilabschnitt
auch an der Außenumfangsfläche der Dichthülse
anliegen und diese mit einer Druckkraft in radialer Richtung beaufschlagen.
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Weiterhin
vorzugsweise weisen die beiden axial zueinander beabstandeten Ringabschnitte
des als Bügelhülse ausgebildeten zweiten Federelementes
unterschiedlich große Innen- wie auch Außendurchmesser
auf. Der an der Schulter der Dichthülse anliegende Ringabschnitt
weist vorzugsweise einen kleineren Innen- und Außendurchmesser
als der an dem radial verlaufenden Absatz des Gehäuseteils anliegende
Ringabschnitt auf. Im entspannten Zustand besitzt das zweite Federelement
somit zumindest einen konischen Verlauf seiner Umrissfläche,
so dass sich unter Vorspannung die Bügel leichter nach radial
innen biegen. Die Bügel können jedoch auch bereits
im entspannten Zustand des Federelementes einen leicht bogenförmigen
Verlauf aufweisen, die unter Vorspannung noch verstärkt
wird. Der bogenförmige Verlauf folgt dabei bevorzugt einem
Kreisbogen mit dem Radius R1.
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Bevorzugt
sind die Bügel des zweiten Federelementes über
den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Auf
diese Weise ist gewährleistet, dass die Dichthülse
gleichmäßig mit einer axialen und/oder radialen
Druckkraft beaufschlagt wird. Die Ausbildung der Bügelhülse
ist somit bevorzugt rotationssymmetrisch. Vorzugsweise sind mindestens
vier Bügel zwischen den beiden axial zueinander beabstandeten Ringabschnitten
vorgesehen. Vorteilhafterweise weist die Bügelhülse
aber mehr als vier, beispielsweise acht oder zwölf Bügel
auf. Über die Anzahl der Bügel sowie deren Breite
in Umfangsrichtung und deren Stärke in radialer Richtung
wird die Federsteifigkeit festgelegt.
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Vorteilhafterweise
sind die Bügel zudem tailliert ausgebildet. Das heißt,
dass die Längskanten der Bügel einen bogenförmigen
Verlauf aufweisen. Vorzugsweise folgen die Längskanten
einem Kreisbogen mit dem Radius R2. Zwischen
jeweils zwei benachbarten Bügeln ergeben sich somit Zwischenräume,
die sich zur Mitte hin aufweien. Durch die Zwischenräume
ist sicher gestellt, dass an der Aufstandsfläche der Dichthülse
einströmender Kraftstoff zum Ventilsitz strömen
kann. Bei über den Umfang gleichmäßig
verteilt angeordneten Bügel ist ferner eine Homogenisierung
der Strömungs- und Druckverhältnisse im Bereich
der Dichthülse sichergestellt, so dass lokale Strömungs-
oder Druckverhältnisse bedingt durch die Lage der Drosseln
in der Aufstandsfläche der Dichthülse keine Relevanz
mehr im Hinblick auf die Lagestabilität der Dichthülse
besitzen.
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Das
vorzugsweise als Bügelhülse ausgebildete zweite
Federelement kann geschlossene oder offene Ringabschnitte besitzen.
In einer geschlossenen Ausführung ist das zweite Federelement
bevorzugt aus einem nahtlos gezogenen Rohr hergestellt, das nachträglich
mittels Laserschneiden bearbeitet wurde, um die Bügel bzw.
die Zwischenräume herauszuarbeiten. Das zweite Federelement
kann aber auch ein Stanz-Biegeteil sein, das zunächst aus
einem Blechmaterial, vorzugsweise einem Metallblech ausgestanzt
und danach zu einer Hülse gebogen wurde. Auch die Zwischenräume
lassen sich durch Stanzen leicht herstellen. Bei Verwendung eines Stanz-Biegeverfahrens
muss das zweite Federelement jedoch nicht zwangsläufig
eine offene Ausführung ha ben. Die geschlossene Ausführung
lässt sich auch im Stanz-Biegeverfahren herstellen, wenn
die nach dem Biegen die Längskanten verbunden werden.
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Unabhängig
von dem gewählten Herstellungsverfahren wird deutlich,
dass das Federelement, beispielsweise in Form einer Bügelhülse,
einfach und kostengünstig herstellbar ist. Das zweite Federelement
stellt zudem sicher, dass die Dichthülse seine Führungs-
und Dichtfunktion erfüllt. Durch die über die
Dichthülse bewirkte axiale Führung des Ventilgliedes
wird ein Verkippen des Ventilgliedes verhindert und damit der Verschleiß des
Ventilgliedes und/oder des Ventilsitzes gemindert.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine
Schnittansicht längs durch ein Kraftstoffeinspritzventil
nach dem Stand der Technik,
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2 einen
Detailausschnitt aus 1,
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3 einen
Detailausschnitt im Bereich der Ventilplatte eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventils,
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4 eine
räumliche, zum Teil frei geschnittene Darstellung der Ventilplatte
der 3 einschließlich angrenzender Drosselplatte,
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5 eine
räumliche Darstellung des zweiten Federelementes und
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6 eine
Seitenansicht des zweiten Federelementes der 5.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil der 1 und 2 umfasst
einen als Gehäuse ausgebildeten Haltekörper 13 zur
Aufnahme einer Aktuator-Einheit 14 und eines Kopplermoduls 15,
eine an den Haltekörper 13 anschließende
Ventilplatte 16, in der in einem Ventilraum 17 zur
Aufnahme eines Ventilgliedes 1 mit einer Schraubenfeder
ausgebildet ist, eine an die Ventilplatte 16 angesetzte
Drosselplatte 18 sowie einen hieran an gesetzten Düsenkörper 19.
Die Drosselplatte 18 ist mit Anschlussbohrungen 20 versehen,
die den Ventilraum 17 mit einem Ventilsteuerraum 21 verbinden.
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2 zeigt
einen Ausschnitt des Kraftstoffeinspritzventils der 1 im
Bereich der Ventilplatte 16 einschließlich anliegendem
Haltekörper 13 und anliegender Drosselplatte 18.
Das in dem Ventilraum 17 angeordnete Ventilglied 1 weist
einen Federkragen 22 auf, an dem die Schraubenfeder abgestützt ist.
Die Aufgabe der Schraubenfeder ist es, das Ventilglied in der Schließstellung,
das heißt in Anlage mit einem Ventilsitz 23 zu
halten. Hierzu ist die Schraubenfeder ferner an einer Dichthülse 3 abgestützt,
die einen Abschnitt des Ventilgliedes 1 umgibt.
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Bei
dem in der 3 dargestellten, erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzventil ist zusätzlich zu der Schraubenfeder
als erstes Federelement 2 ein zweites Federelement 4 im
Ventilraum 17 angeordnet. Das zweite Federelement 4 ist
als Bügelhülse mit einem oberen Ringabschnitt 8,
einem unteren Ringabschnitt 9 und mehreren, die beiden
Ringabschnitte 8, 9 verbindende Bügel 10 ausgebildet.
Die Bügelhülse liegt unter axialer Vorspannung
einerseits an einer Schulter 5 der Dichthülse 3,
andererseits an einem radial verlaufenden Absatz 7 der
ein Gehäuseteils 6 bildenden Ventilplatte 16 an.
Die Vorspannung wird dadurch bewirkt, dass die Gesamthöhe
H der Bügelhülse vor dem Einbau in das Kraftstoffeinspritzventil,
das heißt im entspannten Zustand, geringfügig größer
als der axiale Abstand zwischen der Schulter 5 und dem
Absatz 7 ist. Beim Zusammenbau des Einspritzventils wird
demnach die Bügelhülse elastisch verformt, wobei
die Bügel 10 sich bogenförmig nach radial
innen verbiegen. Dabei gelangt der untere Abschnitt der Bügel 10 in
Anlage mit der Dichthülse 3, so dass diese nicht
nur mit einer axialen Druckkraft, sondern auch mit einer in radialer
Richtung wirkenden Druckkraft beaufschlagt wird. Die Dichthülse 3 wird
somit in ihrer axialen wie auch radialen Lage fixiert.
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4 zeigt
im Wesentlichen den gleichen Bereich wie 3, nur in
einer räumlichen Darstellung, die im Bereich der Ventilplatte 16 frei
geschnitten ist. In der Ventilplatte 16 ist ein Ventilraum 17 zur Aufnahme
des Ventilgliedes 1 angeordnet, das mit einem Ventilsitz 23 zusammenwirkt.
Das Ventilglied 1 weist einen Federkragen 22 als
Stützfläche für ein erstes Federelement 2 (nicht
dargestellt) auf, das zudem an der Dichthülse 3 abgestützt
ist. Die Dichthülse 3 ist von einem zweiten Federelement 4 in
Form ei ner Bügelhülse mit zwölf gleichen
Bügeln 10 umgeben, die zwei axial zueinander beabstandete
Ringabschnitte 8, 9 verbinden. Die Bügel 10 sind über
dem Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet, so
dass zwischen zwei Bügeln 10 jeweils gleiche Zwischenräume 12 ergeben.
Die Längskanten 11 der Bügel 10 weisen
einen kreisbogenförmigen Verlauf auf, so dass die Breite
B der Bügel 10 zur Mitte der Bügelhülse
hin abnimmt. Um das entsprechende Maß nehmen die Zwischenräume 12 zur
Mitte hin an Breite zu. Die Bügel 10 sind somit
tailliert, während die Zwischenräume 12 eine
bauchige Form aufweisen (siehe 5 und 6).
Der Kreisbogen dem die Längskanten 11 der Bügel 10 zur
Ausbildung der Taillierung folgen besitzt den Radius R2.
Die Längskanten 11 sind zudem leicht kreisbogenförmig
nach radial innen gebogen. Dieser Kreisbogen besitzt den Radius
R1 im entspannten Zustand der Bügelhülse.
Wie der 6 deutlich zu entnehmen ist,
sind der Innendurchmesser D1 und der Außendurchmesser
D2 des oberen Ringabschnittes 8 zudem
größer gewählt als der Innendurchmesser
D3 und der Außendurchmesser D4 des unteren Ringabschnittes 9 der
Bügelhülse.
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Die
Bügelhülse 10 ist in dem vorliegenden Beispiel
als geschlossene Hülse ausgeführt. Alternativ
hierzu kann die Bügelhülse jedoch auch offene Ringabschnitte 8, 9 besitzen
(siehe Detailausschnitte in 5). Bei
der Ausführung als offene Hülse ist das Federelement
bevorzugt ein Stanz-Biegeteil. Bei der Ausführung als geschlossene
Hülse wird das Federelement bevorzugt aus einem nahtlos
gezogenen Rohr hergestellt und die Bügel 10 mittels
Laserschneiden aus dem Rohr herausgeschnitten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10322672
A1 [0002, 0003]