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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem verbesserten und kostengünstigeren Aufbau.
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Im Bereich der Kraftstoff-Direkteinspritzung werden zunehmend auch Piezo-Injektoren mit nach außen öffnender Ventilnadel verwendet. Hierbei hat sich herausgestellt, dass einerseits die exakte Führung der Ventilnadel sichergestellt werden muss und andererseits eine sichere und langlebige Abdichtung zwischen einem mit Kraftstoff gefüllten Bereich und einem trockenen (kraftstofffreien) Bereich des Injektors sichergestellt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie einen deutlich einfacheren und kostengünstigeren Aufbau aufweist. Hierdurch ergeben sich sehr große Einsparpotentiale bei der Serienfertigung. Ferner wird auch eine einfachere Montage möglich. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine nach außen öffnende Ventilnadel, welche von einem Piezoaktor betätigt wird, aufweist. Ferner sind ein Ventilkörper mit einer ersten Durchgangsöffnung und ein mit dem Ventilkörper verbundener Haltekörper mit einer zweiten Durchgangsöffnung vorgesehen. Die Ventilnadel ist dabei in beiden Durchgangsöffnungen angeordnet. Der Ventilkörper umfasst neben einem Ventilsitz auch einen ersten Führungsbereich zum Führen der Ventilnadel. Hierbei ist die erste Durchgangsöffnung im Ventilkörper derart vorgesehen, dass die Durchgangsöffnung keine Hinterschneidung aufweist. Mit anderen Worten, ist die längliche Durchgangsöffnung derart gebildet, dass keine nutförmigen Ausnehmungen oder Ähnliches in der Durchgangsöffnung vorhanden sind. Hierdurch kann die Durchgangsöffnung von einer Seite z. B. mittels eines mehrstufigen Bohrverfahrens, schnell und kostengünstig hergestellt werden. Ferner kann bevorzugt auch ein Ventilsitz und der Führungsbereich der Ventilnadel in einer Aufspannung von einer Seite der Durchgangsöffnung geschliffen werden. Hierbei kann insbesondere ein aufwendiger, zweiseitiger Schleifprozess vermieden werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine im Haltekörper angeordnete Buchse mit einem zweiten Führungsbereich, an welchem die Ventilnadel geführt ist. Der zweite Führungsbereich ist hierbei vorzugsweise im trockenen Bereich der Vorrichtung angeordnet, so dass kein korrosionsbeständiges Material hierfür verwendet werden muss.
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Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Balg zur Abdichtung eines mit Kraftstoff gefüllten Bereichs von einem trockenen, kraftstofffreien Bereich der Vorrichtung. Hierbei ist ein erstes Ende des Balgs direkt an der Ventilnadel angeordnet. Hierdurch kann die Teilezahl reduziert werden, da an der Ventilnadel kein zusätzlicher Ring o. ä. zur Befestigung des Balgs vorgesehen werden muss. Der Balg ist weiter bevorzugt aus einem einlagigen Metallmaterial hergestellt, so dass er besonders kostengünstig ist. Weiter bevorzugt ist ein zweites Ende des Balgs an der am Haltekörper angeordneten Buchse befestigt. Somit ist es möglich, dass schon eine Vormontage der Bauteile Ventilnadel, Balg und Buchse vorgesehen werden kann, welche dann als Baugruppe in die Vorrichtung montiert werden kann.
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Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein Rückstellelement, welches sich am Haltekörper abstützt. Das Rückstellelement ist vorzugsweise eine Zylinderfeder. Das Rückstellelement ist dabei weiter bevorzugt im trockenen Bereich der Vorrichtung angeordnet. Weiter bevorzugt stützt sich das Rückstellelement an einem Tellerelement ab, welches an der Ventilnadel befestigt ist. Das Tellerelement ist vorzugsweise am entgegengesetzten Ende der Einspritzseite der Ventilnadel angeordnet.
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Für eine besonders einfache und schnelle Montage weist der Haltekörper eine erste Kontaktfläche und der Ventilkörper eine zweite Kontaktfläche auf. Die beiden Kontaktflächen berühren einander und sind senkrecht zu einer Mittelachse der Vorrichtung angeordnet. Hierdurch wird eine flächige Anlage zwischen dem Ventilkörper und dem Haltekörper erreicht, wodurch eine einfache und sichere Verbindung der beiden Bauteile möglich ist. Besonders bevorzugt weist der Haltekörper und/oder der Ventilkörper einen Zentrierbund auf, um die Montage noch weiter zu vereinfachen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Ventilkörper in Axialrichtung der Vorrichtung eine Länge auf, welche kleiner ist als eine Länge des Haltekörpers. Vorzugsweise ist die Länge des Ventilkörpers dabei um mehr als die Hälfte kleiner als die des Haltekörpers.
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Weiter bevorzugt umfasst die Ventilnadel einen dritten Führungsabschnitt, welcher auf einem gemeinsamen Führungsbereich mit dem ersten Führungsabschnitt im Ventilkörper geführt werden. Der Führungsbereich im Ventilkörper ist dabei über eine gewisse axiale Länge ausgebildet, so dass die beiden Führungsabschnitte an der Ventilnadel auf dem Führungsbereich geführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zylinderringförmigen Strömungsbereich, welcher zwischen dem ersten Führungsbereich am Ventilkörper und einem Kraftstoffaustritt angeordnet ist. Hierbei ist eine Querschnittsfläche des ringförmigen Strömungsbereichs ungefähr doppelt so groß, vorzugsweise genau doppelt so groß, wie eine zylinderringförmige Austrittsfläche am Kraftstoffaustritt. Der erfindungsgemäße zylinderringförmige Strömungsbereich ermöglicht dabei eine Verstetigung der Kraftstoffströmung bei geöffnetem Ventil, da aufgrund des Vorsehens der ersten Führungsbereiche eine leichte Verwirbelung des Kraftstoffstroms auftreten kann. Diese kann im zylinderringförmigen Strömungsbereich gedrosselt werden. Da die Austrittsfläche am Kraftstoffaustritt ungefähr halb so groß ist wie die Querschnittsfläche des zylinderringförmigen Strömungsbereichs, erfolgt eine weitere Drosselung am Austritt, wodurch eine exakt definierte Form des Sprays erhalten wird.
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Weiter bevorzugt ist eine Länge des zylinderringförmigen Strömungsbereichs derart gewählt, dass die Länge ungefähr zwei bis fünf Mal, vorzugsweise vier Mal so lang ist wie eine Breite des zylinderringförmigen Strömungsbereichs, wobei die Breite definiert ist als radialer Abstand der Nadel zur Durchgangsöffnung des Ventilkörpers am Strömungsbereich. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der zylinderringförmige Strömungsbereich lang genug ist, um die gewünschte Verstetigung des Kraftstoffstroms bei geöffnetem Ventil zu erhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, vergrößerte Schnittansicht der Vorrichtung während eines Einspritzvorgangs, und
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3 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Kraftstoff einen Piezoaktor 2, der mit einer nach außen öffnenden Ventilnadel 3 verbunden ist. Die Ventilnadel 3 ist ein einstückiges Bauteil, welches in einem Ventilkörper 4 und einem Haltekörper 5 angeordnet ist. Hierbei weist der Ventilkörper 4 eine erste Durchgangsöffnung 40 auf und der Haltekörper 5 weist eine zweite Durchgangsöffnung 50 auf. Am Ventilkörper 4 ist ein Ventilsitz 13 angeordnet, an welchem die Ventilnadel 3 im geschlossenen Zustand anliegt. Hierbei ist benachbart zum Ventilsitz 13 in der Durchgangsöffnung 40 ein erster Führungsbereich 11 zur Führung der Ventilnadel 3 angeordnet. Die Ventilnadel 3 ist weiterhin an einem zweiten Führungsbereich 12 geführt, welcher an einem inneren Umfang einer Buchse 6 vorgesehen ist. In diesem Bereich weist die Ventilnadel 3 einen zweiten Führungsabschnitt 32 auf. Es sei angemerkt, dass die Führungsabschnitte 31, 32 sowie die Führungsbereiche 11 und 12 mittels eines Feinbearbeitungsverfahrens bearbeitet wurden, um eine exzellente Gleitfähigkeit aufzuweisen. Die Buchse 6 ist mittels einer Schweißverbindung 16 mit dem Haltekörper 5 verbunden und ist teilweise in den Haltekörper 5 eingeführt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Wellbalg 9, welcher aus einem einlagigen Metallmaterial hergestellt ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Wellbalg 9 mit einem ersten Ende 9a mittels einer Schweißverbindung 14 direkt auf die Ventilnadel 3 geschweißt. Ein zweites, gegenüberliegendes Ende 9b des Wellbalgs 9 ist mittels einer Schweißverbindung 15 an die Buchse 6 geschweißt. Hierbei weist die Buchse 6 einen kleinen Absatz auf, um das zweite Ende 9a sicher aufzunehmen. Der Wellbalg 9 unterteilt dabei den Injektor in einen nassen Bereich 20, an welchem Kraftstoff vorhanden ist, und einen trockenen Bereich 21, welcher kraftstofffrei ist.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Rückstellfeder 7, welche sich mit einem Ende am Haltekörper 5 abstützt und mit ihrem anderen Ende an einem Federteller 8 abstützt. Der Federteller 8 ist mittels einer Schweißverbindung 17 direkt an der Ventilnadel 3 befestigt. Dadurch sind an der Ventilnadel, ausgehend von der Einspritzseite am Ventilsitz 13, zuerst ein erster Führungsabschnitt 31, dann ein durch den Wellbalg 9 bereitgestellter Abdichtbereich und anschließend ein zweiter Führungsabschnitt 32 ausgebildet. Die Rückstellfeder 7 greift dann im Anschluss an den zweiten Führungsabschnitt 32 an der Ventilnadel 3 an.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Filter, durch welchen der Kraftstoff, wie durch den Pfeil A angedeutet, zugeführt wird. Der Kraftstoff wird dann entlang des Wellbalgs 9 und des vorderen Bereichs der Ventilnadel 3 zum Ventilsitz 13 geführt. Hierbei sind an der Ventilnadel im Bereich des ersten Führungsabschnitts 31 Ausnehmungen 33 vorgesehen, damit der Kraftstoff unmittelbar am Ventilsitz 13 anliegt.
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Für eine schnelle Montage ist am Ventilkörper 4 ferner ein Zentrierbund 42 ausgebildet. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Zentrierbund 42 in die zweite Durchgangsöffnung 50 des Haltekörpers 5 eingeführt. Dabei ist weiterhin am Ventilkörper 4 eine erste Kontaktfläche 41 und am Haltekörper 5 eine zweite Kontaktfläche 51 ausgebildet, welche jeweils senkrecht zur Axialrichtung X-X ausgerichtet sind. Hierdurch ergibt sich eine ebene Anlagefläche zwischen dem Ventilkörper 4 und dem Haltekörper 5, so dass eine Verbindung zwischen Ventilkörper 4 und Haltekörper 5 mittels einer Schweißverbindung 18 hergestellt werden kann.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist am Ventilkörper 4 zwischen dem ersten Führungsbereich 11 und einem Kraftstoffaustritt 61 ein zylinderringförmiger Strömungsbereich 62 angeordnet. Der zylinderringförmige Strömungsbereich 62 ist dabei zwischen der Nadel 3 und der Durchgangsöffnung 40 des Ventilkörpers 4 gebildet. Der zylinderringförmige Strömungsbereich 62 weist dabei eine Ringfläche C auf. Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist eine Ringfläche D senkrecht zur Strömungsrichtung bei vollständig geöffnetem Ventil zwischen der Ventilnadel 3 und dem Ventilsitz 13 vorhanden, wobei die Ringfläche D ungefähr halb so groß ist wie die Ringfläche C. Ferner ist eine Länge L des zylinderringförmigen Strömungsbereichs 62 ungefähr vier Mal so groß wie eine Breite des zylinderringförmigen Strömungsbereichs 62. Die Breite ist dabei der radiale Abstand zwischen der Nadel und der Wandfläche der Durchgangsöffnung 40 am Strömungsbereich 62. Durch das Vorsehen des zylinderringförmigen Strömungsbereichs 62 kann somit bei vollständig geöffnetem Ventil eine verbesserte Strömung mit reduzierten Verwirbelungen erreicht werden, so dass ein Spray, in 2 durch ”S” gekennzeichnet, in definierter Weise ausgespritzt werden kann. An der Ventilnadel 3 ist ferner ein Radius R am Übergang zum zylinderringförmigen Bereich gebildet.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Injektors ist dabei wie folgt. Soll eine Einspritzung erfolgen, wird der Piezoaktor 2 aktiviert, wodurch die Ventilnadel 3 in Richtung des Pfeils B bewegt wird und vom Ventilsitz 13 abhebt. Kraftstoff kann dadurch durch den geöffneten Injektor eingespritzt werden. Die Bewegung der Ventilnadel 3 erfolgt dabei entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 7, welche durch den Hub der Ventilnadel 3 vorgespannt wird. Soll die Einspritzung wieder beendet werden, wird der Piezoaktor wieder deaktiviert und der Injektor wird automatisch durch die vorgespannte Rückstellfeder 7 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurückgestellt und die Ventilnadel 3 liegt am Ventilsitz 13 fest an und dichtet dort in bekannter Weise ab.
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Somit kann erfindungsgemäß ein nach außen öffnender Injektor bereitgestellt werden, welcher insbesondere einen vereinfachten und kostengünstigeren Aufbau als im Stand der Technik aufweist. Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist eine Länge L1 des Ventilkörpers 4 in Axialrichtung X-X kleiner als eine Länge L2 des Haltekörpers 5 in Axialrichtung X-X. Somit kann ein kurzer und einfach geformter Ventilkörper 4 bereitgestellt werden, wobei die Durchgangsöffnung 40 im Ventilkörper 4 ohne einen Hinterschnitt gebildet ist. Dadurch kann insbesondere die Durchgangsbohrung sehr einfach hergestellt werden. Da ferner der Dichtsitz 13 und der erste Führungsbereich 11 am Ventilkörper 4 unmittelbar benachbart zueinander sind, kann auch eine Herstellung dieser Flächen in einer Aufspannung von der gleichen Seite her erfolgen. Somit müssen nicht, wie im Stand der Technik, zwei separate Führungsflächen am Ventilkörper 4 bearbeitet werden, was die Herstellung des Ventilkörpers 4 signifikant verteuert. Erfindungsgemäß kann die zum Haltekörper 5 gerichtete Seite des Ventilkörpers 4 kostengünstig mittels einer Drehbearbeitung hergestellt werden.
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Weiter kann erfindungsgemäß auf einfache Weise die Schließkraft der Rückstellfeder 7 eingestellt werden, indem der Federteller 8 an einer entsprechenden Position an der Ventilnadel 3 befestigt wird. Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der Wellbalg 9 vollständig im Haltekörper 5 angeordnet. Durch diese Anordnung ist es möglich, dass der Wellbalg 9 kostengünstig als einlagiges Metallelement vorgesehen werden kann, da im Haltekörper 5 ausreichender Raum zur Anordnung des Wellbalgs 9 vorhanden ist. Insbesondere kann dadurch ein Wellbalg 9 verwendet werden, welcher in Axialrichtung X-X relativ lang ist. Hierdurch kann der Wellbalg 9 eine Vielzahl von Wellen aufweisen, um die auf ihn einwirkenden Biegebelastungen ausreichend aufzunehmen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass erfindungsgemäß die Buchse 6 verwendet werden kann, welche in Axialrichtung X-X ebenfalls eine vergrößerte Länge aufweist. Hierdurch kann ein Abstand zwischen der Schweißverbindung 16 zum Haltekörper 5 und dem zweiten Führungsabschnitt 32 größer ausgelegt werden. Hierdurch ist es möglich, dass die Buchse 6 vergütet werden kann, weil sich durch den Schweißvorgang kein Härteabfall am Führungsbereich ergibt. Die vergütete Buchse weist dabei weniger Verschleiß auf, insbesondere, wenn Querkräfte auf die Ventilnadel 3 wirken. Der Federteller 8 ist sehr kostengünstig als einfaches Tiefziehteil herstellbar. Hierbei kann insbesondere auf einen Federzentrierbund am Federteller verzichtet werden.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist der erfindungsgemäße Injektor somit eine Vielzahl von Verbesserungen auf, welche insgesamt eine deutliche Kosteneinsparung bei der Herstellung des Injektors ermöglichen. Insbesondere das Vorsehen des hinterschneidungsfreien Ventilkörpers 4 senkt die Herstellungskosten signifikant.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 eine Vorrichtung 1 zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels an der Ventilnadel 3 einen dritten Führungsabschnitt 34 auf. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der dritte Führungsabschnitt 34 benachbart zum ersten Führungsabschnitt 31 angeordnet. Am dritten Führungsabschnitt 34 wird die Ventilnadel 3 dabei wie beim ersten Führungsabschnitt 31 am Ventilkörper 4 geführt. Hierzu ist der erste Führungsbereich 11 in der Durchgangsöffnung 40 des Ventilkörpers in Axialrichtung X-X verlängert. Hierdurch muss zwar ein verlängerter erster Führungsbereich 11 in der Durchgangsöffnung 40 vorgesehen werden, allerdings wird die Ventilnadel 3 insbesondere nahe dem Ventilsitz 13 besser zur Mittelachse ausgerichtet. Somit kann wiederum in einem geöffneten Zustand der Vorrichtung ein Sitzspalt zwischen der Ventilnadel 3 und dem Ventilsitz 13 über den Umfang gleichförmiger sein, wodurch auch das ausgestoßene Kraftstoffspray über den Umfang gleichförmiger ist. Durch den geringen Abstand des ersten und dritten Führungsbereichs 31, 33 im Ventilkörper 4 können die Führungsbereiche jedoch wie im ersten Ausführungsbeispiel in einer Aufspannung von der Sitzseite her kostengünstig geschliffen werden. Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt in der Verbindung zwischen Ventilkörper 4 und Haltekörper 5. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist sowohl am Ventilkörper 4 ein Zentrierbund 42 als auch am Haltekörper 5 ein Zentrierbund 52 vorgesehen. Hierbei kann zwischen dem Zentrierbund 42 und dem Zentrierbund 52 eine Spielpassung oder eine Presspassung vorgesehen werden. Bei der Herstellung der Schweißverbindung 18 zwischen dem Ventilkörper 4 und dem Haltekörper 5 erwärmt sich insbesondere der Zentrierbund 52 des Haltekörpers 5 mehr als der radial weiter innenliegende Zentrierbund 42 des Ventilkörpers 4, weil der Zentrierbund 52 im Vergleich zum Zentrierbund 42 dünnwandiger ist. Beim Abkühlen der Bauteile schrumpft daher der Zentrierbund 52 des Haltekörpers 5 mehr als der Ventilkörper 4. Hierdurch wird der Ventilkörper 4 auf die axiale Kontaktfläche 51 am Haltekörper 5 gezogen und richtet sich daher sehr genau aus. Da der Schweißvorgang relativ weit von den Kontaktflächen 41, 51 in Axialrichtung X-X entfernt ist, wirken sich unterschiedliche Schweißverzüge entlang des Umfangs, wenn überhaupt, nur in sehr geringer Weise auf eine nicht axiale Ausrichtung von Ventilkörper 4 zum Haltekörper 5 aus.