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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einbringen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs, mit einer verbesserten Zugänglichkeit. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor.
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Injektoren zum Einbringen von Fluiden sind beispielsweise als Kraftstoffinjektoren zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff oder zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt.-Zur Direkteinspritzung von Ottokraftstoff mit einer nach außen oder innen öffnenden Ventilnadel, die von einem Aktor (Elektromagnet oder Piezosteller) gegen eine Schließfeder so bewegt wird, lässt sich eine gewünschte Kraftstoffmenge direkt in den Brennraum unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse des jeweiligen Zylinders einspritzen.
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Nach innen öffnende Ventilnadeln in der Direkteinspritzung geben den Kraftstoff meist über mehrere einzelne Spritzlöcher frei. Der Kraftstoff fließt dabei durch einen ringförmigen Spalt zwischen einer Ventilkugel am Ende der Ventilnadel und einer Injektorhülse in einen Zuflussbereich vor Spritzlöcher. Der nachströmende Kraftstoff fließt dorthin zunächst über so genannte Durchflusstaschen nach und wird bis zum Nadelschließen aufgrund des hohen Druckgefälles zwischen Innenvolumen des Injektors und der Umgebung durch die Spritzlöcher in den Zylinder eingespritzt. Standardmäßig sind die Durchflusstaschen, Dichtsitz und Spritzlöcher in einem Ventilsitz vereint, sodass der Bezug zwischen Kugelführung und Dichtsitz möglichst konzentrisch ist.
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Die hohen Anforderungen von Dichtheit und Oberflächenrauheit werden typischerweise mittels anderen Prozessen wie Prägen oder Kugelhohnen nachträglich in die Innenkontur des Ventilsitzes eingebracht.
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Ferner ist bekannt, die Führung und den Dichtsitz in einem Bauteil, dem Ventilsitz, anzuordnen. Durch die Durchflusstaschen im Ventilsitz ist die Ventilnadel mit einer Ventilkugel bestückt um das Ventil zu öffnen und zu schließen.
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Nachteilig bei der Ausgestaltung des Ventilsitzes nach Stand der Technik ist, dass ein Verkleinern der Komponenten zunehmend den Zugang zur Innenkontur für ein mechanisches Bearbeiten (z.B. Prägen, Kugelhonen, etc.) und für funktionssteigernde Designelemente (z.B. Hydroerosionsverrunden) versperren. Diese notwendigen Arbeitsschritte werden für zukünftige gesetzliche Anforderungen und Sicherheitsanforderungen an den Injektor immer wichtiger.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einbringen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, eine bessere Zugänglichkeit zur Innenkontur des Ventilgehäuses zu ermöglichen. Damit können Folgeprozesse günstiger und besser auf die Funktion des Injektors abgestimmt werden. Außerdem kann auch eine Dichtheit des Ventilgehäuses verbessert werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor ein Schließelement mit einer Ventilkugel zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchlassöffnung aufweist, wobei ein mit einem Fluid gefüllter Injektorraum vorgesehen ist, in welchem das Schließelement angeordnet ist. Ferner weist der Injektor ein Ventilgehäuse mit einem mit Durchflusstaschen versehenen Ventilgehäuseabschnitt auf, wobei ausschließlich der Ventilgehäuseabschnitt zur Führung der Ventilkugel ausbildet ist. Hierbei ergeben sich flexiblere Herstellungsmöglichkeiten von Durchgangsöffnungen und der Ventilgehäuseinnenseite und eine Funktionssteigerung für das Spray.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist ein Ventilsitz mit einem an die Durchflusstaschen des Ventilgehäuseabschnitts anschließenden Durchflussbereich an den Ventilgehäuseabschnitt angeschlossen. Unter dem Durchflussbereich kann ein Reservoir verstanden werden. Der Ventilsitz weist die Durchlassöffnungen auf, die mit dem Durchflussbereich verbunden sind. Dabei wird die Kugelführung in einem einzigen Bauteil verwirklicht, nämlich dem Ventilgehäuse. Bevorzugt ist der Ventilsitz als separates Bauteil mit dem Ventilgehäuseabschnitt verbindbar. Alternativ kann die Kugelführung auch in einem anderen Bauteil des Ventilgehäuses eingebracht werden.
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Vorzugsweise ist der Ventilsitz nach einem Verbinden mit dem Ventilgehäuseabschnitt eine Komponente des Ventilgehäuses. Bevorzugt bildet der Ventilsitz einen Dichtsitz für die Ventilkugel aus. Durch das Vorsehen des Dichtsitzes kann im nicht aktivierten Zustand des Injektors auf einfache Weise eine Kraftstoffförderung unterbunden werden.
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Besonders bevorzugt liegt bei einem Kugeldurchmesser von 3,0 mm die Ventilkugel bei einem Kugelschichtdurchmesser im Bereich von vorzugsweise 1,0 mm bis 2,0 mm, bevorzugt bei 1,5 mm am Dichtsitz an.
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Vorzugsweise verbindet eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung den Ventilgehäuseabschnitt mit dem Ventilsitz. Bevorzugt ist die Verbindung eine Schweißnaht, die axial, radial oder in einem Winkel dazwischen in Längsrichtung zum Ventilgehäuse eingebracht ist. Unter einem „Winkel dazwischen“ kann ein Winkel verstanden werden, der in einem Winkel von größer 0° und kleiner 90° zwischen einer möglichen radialen und axialen Verbindung liegt. Alternativ kann eine Verbindung bspw. auch mittels Löten oder Pressen erfolgen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Ventilsitz mit einem an die Durchflusstaschen des Ventilgehäuseabschnitts anschließenden Durchflussbereich an den Ventilgehäuseabschnitt angeschlossen. Eine Spritzlochscheibe ist am Ventilsitz angeordnet bzw. angeschlossen. Die Spritzlochscheibe bildet dabei den Abschluss des Injektors in den Brennraum. Vorliegend wird die Kugelführung in einem ersten Bauteil und der Dichtsitz in einem zweiten Bauteil verwirklicht, wohingegen eine Ventilkuppe mit den Durchgangsöffnungen in einem dritten Bauteil verwirklicht werden. Vorzugsweise ist der Ventilsitz mit einem Ende des Ventilgehäuseabschnitts verbunden. Eine Verbindung kann insbesondere eine Schweißnaht sein. Bevorzugt ist die Spritzlochscheibe als separates Bauteil mit dem Ventilsitz verbindbar. Besonders bevorzugt ragt die Ventilkugel wenigstens teilweise in die Spritzlochscheibe.
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Um einen besonders kompakten Aufbau bereitzustellen, bildet der Ventilsitz einen Dichtsitz für die Ventilkugel aus. Der Dichtsitz kann alle Kräfte eines Nadeleinschlags aufnehmen, so dass die Festigkeitsanforderungen an die Spritzlochscheibe minimiert werden können.
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Vorzugsweise sind der Ventilsitz nach einem Verbinden mit dem Ventilgehäuseabschnitt und die Spritzlochscheibe nach einem Verbinden mit dem Ventilsitz Komponenten des Ventilgehäuses.
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Besonders bevorzugt liegt bei einem Kugeldurchmesser von 3,0 mm die Ventilkugel bei einem Kugelschichtdurchmesser im Bereich von vorzugsweise 1,0 mm bis 2,0 mm, bevorzugt bei 1,5 mm am Dichtsitz an.
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Vorzugsweise verbindet eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung den Ventilgehäuseabschnitt mit dem Ventilsitz. Bevorzugt verbindet eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung den Ventilsitz mit der Spritzlochscheibe. Besonders bevorzugt ist die Verbindung eine Schweißnaht, die axial, radial oder in einem Winkel dazwischen in Längsrichtung zum Ventilgehäuse eingebracht ist. Alternativ kann eine Verbindung bspw. auch mittels Löten oder Pressen erfolgen.
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Eine Zentrierung der Bauteile Ventilgehäuseabschnitt und Ventilsitz oder Ventilgehäuseabschnitt, Ventilsitz und/oder Spritzlochscheibe kann mittels einer Überlappung, einem Nut-Feder-System oder einer Ringnut erfolgen.
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Eine Zentrierung der Bauteile Ventilgehäuseabschnitt und Ventilsitz oder Ventilgehäuseabschnitt, Ventilsitz und/oder Spritzlochscheibe kann auch erfolgen durch:
- - Kegel-Kegel-Kontakt,
- - Kugel-Kegel-Kontakt oder
- - Kardanik so, dass ein Sitz und eine Führung immer fluchten.
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Der Injektor ist vorzugsweise ein nach innen öffnender Injektor, d.h., das Schließelement wird in Axialrichtung des Injektors entgegen der Ausströmungsrichtung aus der Durchlassöffnung zum Öffnen bewegt. Weiter bevorzugt ist der Injektor ein Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines gasförmigen Kraftstoffs.
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Der Aktor ist vorzugsweise ein Magnetaktor.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht eines Ventilgehäuses des Injektors von 1,
- 3 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht eines alternativen Ventilgehäuses des Injektors,
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht eines Ventilgehäuses des Injektors von 4 und
- 6 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht eines alternativen Ventilgehäuses des Injektors.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Injektor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Ventilgehäuse 2, einen Aktor 10 und ein Schließelement 12 in Form einer Ventilnadel. Das Schließelement 12 gibt Durchgangsöffnungen 7, auch Spritzlochöffnungen genannt, im Ventilgehäuse 2 frei und verschließt diese. Die 1 und 2 zeigen dabei den geschlossenen Zustand des Injektors 1. Der Injektor 1 ist ein nach Innen öffnender Injektor, wobei die Öffnungsrichtung entgegen der Ausströmungsrichtung aus dem Injektor 1 ist.
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Der Aktor 10 ist ein Magnetaktor und umfasst einen Anker 16 und eine Spule 15. Ein Rückstellelement 13 hält das Schließelement 4 in der in 1 gezeigten geschlossenen Stellung.
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Der Injektor 1 umfasst ferner einen Injektorraum 17, welcher den Innenraum des Ventilgehäuses 2 umfasst. Der Injektorraum 17 ist dabei mit dem einzubringenden Fluid gefüllt.
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Das Schließelement 12 ist als Ventilnadel mit einer Ventilkugel 11 und einem Anschlag 14 ausgebildet.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am Schließelement 12 ein Ankerfreiweg 18 vorgesehen. Der Ankerfreiweg 18 ist eine Wegstrecke, welche der Anker 16 im Öffnungsfall zuerst zurücklegen muss, um dann mit dem Anschlag 14 am Schließelement 12 in Kontakt zu kommen, um den Öffnungsvorgang des Schließelements 12 einzuleiten. Im Anker 16 sind ferner noch Verbindungsöffnungen 19 vorgesehen, um das einzubringende Fluid durch den Anker 16 zu führen. Die Ausführung eines Injektors 1 ist auch ohne Ankerfreiweg möglich.
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Der Injektor 1 ist dabei unmittelbar an einem Brennraum 25 angeordnet und ist vorzugsweise als ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines Kraftstoffs ausgebildet. Der Kraftstoff kann dabei gasförmig oder flüssig sein.
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Das Ventilgehäuse 2 weist einen Ventilgehäuseabschnitt 3 auf. Der Ventilgehäuseabschnitt 3 ist mit einer Mehrzahl an ersten Durchflusstaschen 4 versehen. Dabei ist ausschließlich der Ventilgehäuseabschnitt 3 eingerichtet, die Ventilkugel 11 innerhalb des Ventilgehäuses 2 zu führen. Hierzu weist der Ventilgehäuseabschnitt 3 eine Kugelführung 22 auf. Ferner ist ein Ventilsitz 5 an das Ventilgehäuse 2 über den Ventilgehäuseabschnitt 3 angeschlossen. Der Ventilsitz 5 weist einen Durchflussbereich 6 auf. Der Durchflussbereich 6 des Ventilsitzes 5 schließt an die ersten Durchflusstaschen 4 des Ventilgehäuseabschnitts 3 an.
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Der Ventilsitz 5 bildet einen Dichtsitz 8 für die Ventilkugel 11 aus. Ferner sind im Ventilsitz 5 die Durchlassöffnungen 7 vorgesehen, die mit dem Durchflussbereich 6 verbunden sind. Der Ventilgehäuseabschnitt 3 ist mit dem Ventilsitz 5 kraftschlüssig mittels einer Schweißnahtverbindung 21 verbunden. Die Schweißnahtverbindung 21 ist radial zur Längsrichtung x-x zum Ventilgehäuse 2 zwischen den Ventilgehäuseabschnitt 3 und den Ventilsitz 5 eingebracht. Alternativ kann eine Verbindung bspw. auch mittels Löten oder Pressen erfolgen.
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Die Funktion des Injektors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei wie folgt. Wie oben erwähnt, befindet sich der Injektor 1 im Ruhezustand, also im geschlossenen Zustand. Wenn ein Öffnungsvorgang eingeleitet wird, wird eine Aktorkraft auf den Anker 16 ausgeübt, so dass der Anker 16 sich linear in Axialrichtung x-x in Richtung zum Anschlag 14 bewegt. Aufgrund des Ankerfreiwegs 18 verbleibt das Schließelement 11 dabei noch in der geschlossenen Stellung.
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Nach Überwindung des Ankerfreiwegs bewegen sich der Anker 16 und das Schließelement 12 gemeinsam in eine Öffnungsrichtung weg vom Ventilsitz 5, was mit einer Stauchung des Rückstellelements 13 einhergeht. Dabei wird dem Kraftstoff ein Strömen durch die Verbindungsöffnungen 19 den Anker 16 zur Ventilkugel 11 und weiter durch die Durchlassöffnungen 7 ermöglicht.
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Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird der Aktor 10 deaktiviert und aufgrund der Rückstellkraft des Rückstellelements 13 bewegen sich der Anker 16 und das Schließelement 12 gemeinsam in eine Schließrichtung auf den Ventilsitz 5 zu.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines alternativen Ventilgehäuses des Injektors 1. Im Unterschied zur 2 ist die Schweißnaht nicht radial zur Längsrichtung x-x zum Ventilgehäuse 2 zwischen dem Ventilgehäuseabschnitt 3 und dem Ventilsitz 5 eingebracht sondern sie ist stirnseitig in den Ventilsitz 5 und damit auch in den Ventilgehäuseabschnitt 3 eingebracht. Hierdurch lassen sich die Bauteile Ventilsitz 5 und Ventilgehäuseabschnitt 3 alternativ verbinden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ein Injektor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist ein Ventilsitz 5 mit einem an die Durchflusstaschen 4 des Ventilgehäuseabschnitts 3 anschließenden Durchflussbereich 6 an den Ventilgehäuseabschnitt 3 angeschlossen.
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Der Ventilsitz 5 ist mittels einer Schweißnahtverbindung 24 kraftschlüssig mit einem Ende des Ventilgehäuseabschnitts 3 verbunden. Die Schweißnahtverbindung 24 ist radial zur Längsrichtung x-x zum Ventilgehäuse 2 zwischen dem Ventilgehäuseabschnitts 3 und dem Ventilsitz 5 eingebracht. Alternativ kann eine Verbindung bspw. auch mittels Löten oder Pressen erfolgen.
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Die Spritzlochscheibe 9 ist an den Ventilsitz 5 angeschlossen. Der Ventilgehäuseabschnitt 3 ist mit einer Mehrzahl an ersten Durchflusstaschen 4 versehen. Dabei ist hier ausschließlich der Ventilgehäuseabschnitt 3 eingerichtet, die Ventilkugel 11 innerhalb des Ventilgehäuses 2 entlang der Kugelführung 22 zu führen. Der Ventilsitz 5 bildet einen Dichtsitz 8 zur Aufnahme der Ventilkugel 11 aus.
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Um einen besonders kompakten Aufbau bereitzustellen, bildet der Ventilsitz 5 den Dichtsitz 8 für die Ventilkugel 11 aus. Der Dichtsitz 8 kann alle Kräfte eines Nadeleinschlags aufnehmen, so dass die Festigkeitsanforderungen an die Spritzlochscheibe 9 minimiert werden können.
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Die Spritzlochscheibe 9 weist die Durchlassöffnungen 7 auf. Der Ventilgehäuseabschnitt 3 ist mit dem Ventilsitz 5 kraftschlüssig mittels einer Schweißnahtverbindung 21 verbunden. Die Schweißnahtverbindung 21 ist radial zur Längsrichtung x-x zum Ventilgehäuse 2 zwischen dem Ventilsitz 5 und der Spritzlochscheibe 9 eingebracht. Alternativ kann eine Verbindung bspw. auch mittels Löten oder Pressen erfolgen.
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Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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6 zeigt eine Ausführungsform eines alternativen Ventilgehäuses des Injektors. Im Unterschied zur 5 ist die Schweißnaht nicht radial zur Längsrichtung x-x zum Ventilgehäuse 2 zwischen dem Ventilgehäuseabschnitt 3 und der Spritzlochscheibe 9 eingebracht sondern sie ist stirnseitig in die Spritzlochscheibe 9 und in den Ventilgehäuseabschnitt 3 eingebracht. Hierdurch lassen sich die Bauteile Spritzlochscheibe 9 und Ventilgehäuseabschnitt 3 alternativ verbinden.