CN108708810A - 喷射器的阀套筒以及用于该阀套筒的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于喷射介质(8)，尤其用于喷射燃料的喷射器(1)的阀套筒(3)，包括至少一个柱形套筒(10)和喷射器头(11)，其中，所述喷射器头(11)具有关闭元件座(13)和至少一个喷射孔(15)，并且其中，所述喷射器头(11)借助增材方法材料锁合地加工附加到所述柱形套筒(10)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于喷射介质的喷射器所用的、制造优化的阀套筒，该阀套筒部分地借助增材(additve)方法制造，还涉及一种具有这种阀套筒的喷射器和一种用于该阀套筒的制造方法。
背景技术
用于喷射介质，例如用于喷入液态燃料或用于吹入气态燃料的喷射器，由现有技术在不同的构型中已知。这种喷射器例如由DE 10 2013 220 836 A1已知并且典型地包括阀套筒和喷射器头，它们与另外的构件一起包围压力室。关闭元件可沿着纵向轴线运动地布置在阀套筒中，该关闭元件在轴向运动中与关闭元件座共同作用。该关闭元件根据其位态来打开和关闭一个或多个加工到喷射器头中的喷射孔，并且，燃料在高压下由压力室压出，使得所述燃料在由喷射孔喷出时被雾化。
由于对喷射器在射束扩散方面越来越高的要求，所以由压力室到喷射孔的燃料输送通过阀套筒中的复杂几何形状进行，该几何形状应当使得能够在最高尺度的喷雾对靶(Spray-Targeting)和最优的穿透的情况下实现尽可能最好的射束散开。阀套筒中的复杂几何形状的制造由于所用制造方法以及侧凹部(Hinterschneidung)的数量很多且几何尺寸非常小而成本特别高且从而效率低。
发明内容
喷射器的根据本发明的阀套筒具有的优点是：该阀套筒可以具有任意复杂的几何形状并且同时这样优化阀套筒的制造方法，使得尤其通过时间优势形成成本优势。这根据本发明通过以下方式实现：阀套筒包括至少一个柱形套筒和喷射器头，其中，该喷射器头具有关闭元件座和至少一个喷射孔，并且其中，该喷射器头借助增材方法材料锁合地加工附加到柱形套筒上。由此，阀套筒可以在非常高效的方法中即使在复杂的几何形状的情况下也低成本地制造。此外，所述增材方法使得能够实现喷射器头中的高度复杂的几何形状，例如侧凹、弯曲的孔或类似结构，所述结构通过传统的制造方法-如果可以的话-仅能够极其费事地制造。
本发明还提出优选的扩展方式。
优选地，在喷射器头中布置有具有至少一个通流凹部(Durchflusstasche)或至少一个通流孔的导入区域。所述通流凹部或者通流孔提高有效通流面，燃料可以通过该面由压力室流到关闭元件座。所述通流凹部或者通流孔可以对称地或非对称地绕着纵向轴线X-X在周边上分布。尤其，至少一个通流凹部或者通流孔配属于至少一个喷射孔，这能够导致所述通流凹部或者通流孔在喷射器头中的非对称的布置。
根据另一优选的构型，通流凹部按照槽的类型成型在喷射器头的内壁中，使得构成至少一个桥接部，该桥接部例如按照滑动轴承的类型沿径向方向支撑和/或引导关闭元件。而通流孔可以加工到环绕的桥接部中，该桥接部按凸台的形式构造在喷射器头的内壁上。通流凹部和通流孔在喷射器头中的组合是可能的。
根据另一优选的构型，喷射器头具有至少一个前部梯级(Vorstufe)，所述至少一个喷射孔通到该前部梯级中。通过该前部梯级，喷射孔的通流面阶梯式地扩宽至少一次，使得通过该前部梯级减小喷射孔的有效长度并且保护真正的喷射孔免受积碳。
优选地，所述至少一个喷射孔具有柱形的或弯曲的流动通道。通过流动通道的所述形状，可以影响对靶和射束扩散，由此在喷射时实现介质在空间中的最佳分布。在此，流动通道的横截面可以是圆的、椭圆的和/或多角形的。
此外，已证明特别有利的是，喷射器头借助电子射束熔化(EBM)方法加工附加到柱形套筒上。电子射束熔化(EBM)方法是一种基于粉末基底的方法，其中，金属粉末借助电子射束在真空中熔化。该方法在高方法温度的情况下进行并且根据喷射器头的几何形状可能需要支撑结构，通过无惯性的射束偏转(多射束策略)可以并行地产生熔化并从而提高喷射器头或多个喷射器头的构造速率，由此可以显著减少制造时间。作为用于喷射器头的原材料优选地使用颗粒大小优选为45至105μm的球形粉末。用于喷射器头的原材料必须由导电的、可焊接的金属材料构成，但磁性材料由于可能使射束偏转而不应使用。在电子射束熔化(EBM)方法之后，必须在后面的方法步骤中为制成的阀套筒清除残留粉末并且必要时除去多余的支撑结构。此外，可选地，制成的柱形套筒可以被热处理。对于最终的加工，尤其对于构造与关闭元件气密或液密地封闭喷射器的关闭元件座可以使用减材方法，例如磨削、珩磨、车削等。
根据另一有利的构造，喷射器头可以借助选择性激光熔化(SLM)方法施加到柱形套筒上，选择性激光熔化也已知为直接金属激光烧结(DMLS)、激光射束熔化(LBM)、激光聚焦或激光烧结。选择性激光熔化(SLM)方法是一种基于粉末基底的方法，其中，构件逐层地构造。粉末通过刮板逐层地施加并且接下来借助激光在本地(lokal)熔化。该过程在保护气体氛围下执行并且具有优选地200至500℃的过程温度。根据喷射器头的几何形状，可能需要支撑结构用于选择性激光熔化(SLM)方法。作为用于喷射器头的原材料可使用可焊接的金属材料，例如颗粒大小优选为10至45μm的球形粉末。尤其属于这种金属材料的是镍基合金、工具钢、铝合金、钛合金等。在选择性激光熔化方法之后，首先必须从阀套筒上除去粉末残留物，必要时除去多余的支撑结构并且执行热处理。尤其功能面的进一步的加工/结束可以在不采取其他措施的情况下借助传统的制造方法执行。选择性激光熔化方法相对于电子射束熔化方法具有的优点是：也可以无风险地处理磁性材料。选择性激光熔化具有±50μm的高尺寸精度和具有Rz约为30至50μm的相对较好的表面质量。
优选地，柱形套筒是旋转对称的车削件，它由可焊接的金属材料制造。柱形套筒是可简单地并且在大批量时低价格地制造的构件。柱形套筒在制造过程之后例如可以通过适用于增材地添加喷射器头的清洁方法来清洁并且夹紧在适用于增材制造方法的设备中。然后将喷射器头加工附加到柱形套筒上，其中，喷射器头仅构成整个阀套筒的一小部分。典型地，柱形套筒的质量约为整个阀套筒质量的70％。但更高的质量份额有利于实现进一步的成本优势。柱形套筒也可以优选地具有一个或多个阶梯。
根据另一有利的构造，喷射器、尤其燃料喷射器包括由柱形套筒和喷射器头构成的阀套筒，其中，喷射器头增材地加工附加到柱形套筒上。该喷射器因此由于可低成本制造的阀套筒而可多方面地和个体化地使用。
根据另一有利的构造，阀套筒可以以至少两个方法步骤制造。在第一方法步骤中，作为成本有利的车削件提供柱形套筒并且在第二方法步骤中，借助增材方法将喷射器头加工附加到柱形套筒上。
此外，特别有利的是，在增材方法之前清洁柱形套筒，使得污物，例如脂肪、油、碎屑等被除去。
附图说明
下面参照附图详细地说明本发明的优选的实施例。在附图中示出：
图1具有根据本发明的阀套筒的用于喷射介质的喷射器的截面视图；
图2根据图1的根据本发明的阀套筒的放大的示意性截面视图；
图3根据图2的阀套筒沿着剖面线Y-Y的、示意性的、放大的部分剖视图；和
图4在为装入喷射器完成制造的状态中的阀套筒的放大示图。
具体实施方式
下面参照附图1至4详细地说明根据本发明的第一优选实施例的喷射器和阀套筒。
图1示出具有根据本发明的阀套筒3的喷射器1的纵截面，该喷射器1特别包括由阀套筒3和喷射器壳体4包围的压力室5，关闭元件6可通过致动器60沿着纵向轴线X-X移动地布置在所述压力室中。该压力室5通过未示出的高压通道例如与存储装置连接并且通过该存储装置以在直至350×105Pa的非常高的压力下的介质8充注。通过关闭元件6沿着纵向轴线X-X的运动，关闭元件6与构造在阀套筒3中的关闭元件座13共同作用并且打开和关闭喷射孔15。图1和图2在此示出喷射器1的关闭状态。
喷射器1是向内打开的喷射器1，其中，打开方向与由喷射器1流出的方向A相反。
致动器60是电磁致动器并且包括衔铁61和线圈62。通过致动器60和衔铁61的共同作用，关闭元件6可沿着纵向轴线X-X运动。该关闭元件6构造为具有阀球50和止挡55的阀针。复位元件66支撑在关闭元件6的止挡件55上并且将该关闭元件保持在图1和2所示的关闭位态中。致动器60同样可以构造为压电执行器。
在此，根据第一实施例的喷射器1的功能如下：当打开过程开始时，致动器力由致动器60施加到衔铁61上，使得衔铁61与关闭元件6一起沿着纵向轴线X-X反向于流出方向A运动。一旦喷射孔15在打开过程中被关闭元件6释放，则处于压力下的介质8就由压力室5通过喷射孔15以喷雾的形式流到空间2中，例如内燃机的燃烧室中。该介质8可以是液态或气态的介质。
在图1和图2所示的、喷射器1的静止状态中，阀球50通过复位元件66的弹簧力压抵喷射器头11的关闭元件座13，使得流入区域14相对于余下的压力室5气密且液密地封闭或隔开。为此，关闭元件座13的形状适配于阀球50的形状。
阀套筒3由图2详细地可见并且由两个部件一件式构造并且包括柱形套筒10和喷射器头11。柱形套筒10是由可焊接的金属材料制成的、旋转对称的车削件。喷射器头11借助增材方法加工附加到柱形套筒10上并且沿着纵向轴线X-X在流出方向A上包括导入区域12、关闭元件座13、流入区域14、所述至少一个喷射孔15和前部梯级16。介质8在喷射器1的打开位态中由压力室5通过导入区域15并且在关闭元件座13旁流到流入区域14中并且通过喷射孔15朝空间2的方向离开所述流入区域。前部梯级16的直径比喷射孔15的直径显著更大地定尺寸，其中，所示的、喷射孔15的实施方式是具有深窄的前部梯级的喷射器1。前部梯级16沿流出方向A的长度L2比喷射孔15的长度L1显著更大地定尺寸。此外，前部梯级16的通流面的直径与喷射孔15的直径的比例大约为2:1。
图3示出根据图2的喷射器1沿剖面线Y-Y的平面的截面。在喷射器头11中，在周边上布置多个通流凹部20、通流孔21和桥接部22。所述通流凹部20和通流孔21使喷射器1的在导入区域12的区域中沿纵向轴线X-X方向的有效通流横截面增大，使得介质8通过该横截面增大能够尽可能快地并且压力损失小地流到流入区域14并从而流到喷射孔15中。
为此，所述通流凹部20和通流孔21可以在喷射器头11中这样构造，使得构成一个或多个桥接部22。所述桥接部22构成用于阀球50或者说用于关闭元件6的引导面并且沿径向方向支撑它们。因此，通流凹部20、通流孔21和桥接部22从关闭元件座13反向于流出方向A沿着纵向轴线X-X至少延伸经过在打开和关闭喷射器1时阀球50走完的完整路径。
喷射孔15在周边上相应于通流凹部20或者通流孔21在流入区域14中的定位地加工到喷射器头11中，并且，通流凹部20或者通流孔21的周向位置与喷射孔15的周向位置相对应。然而，喷射孔15也可以独立于通流凹部20和通流孔21定位。
在此，根据本发明的阀套筒3的制造以至少两个方法步骤进行。首先，柱形套筒10制造为对称的车削件，并且在第二方法步骤中，将喷射器头11借助增材方法附接到柱形套筒10上。喷射器头11和柱形套筒10之间的区域是过渡区域9。在该过渡区域9中，在施加喷射器头11时，柱形套筒10的少量材料被熔化，以便在柱形套筒10和喷射器头11之间形成材料锁合。
柱形套筒10由可焊接的金属材料制造并且可以在第二方法步骤之前清洁。在清洁柱形套筒10时，可能的污物，例如冷却剂残留物、油、脂肪、碎屑等被除去。污物的除去也可以仅区域地进行。接下来将柱形套筒10为增材制造方法夹紧到合适的设备上。为此，例如可以使用液压卡盘或由两个半壳构成的多重卡盘。
作为增材方法，使用选择性激光熔化(SLM)方法或电子射束熔化(EBM)方法。
电子射束熔化(EBM)方法是一种基于粉末基底的方法，其中，借助电子射束在真空中将金属粉末逐步沿纵向轴线X-X熔化到柱形套筒10上。通过无惯性的射束偏转-在所谓的多射束策略中-可以并行地产生多个熔化区，由此也可以同时制造多个阀套筒3。替代地，多个电子射束可以将一个喷射器头11施加到一个柱形套筒10上。在电子射束熔化(EBM)方法中，粉末基底由颗粒大小为45至105μm的球形粉末构成。对该方法有利的是，柱形套筒10和金属粉末由非磁性材料制成。因为磁性材料使电子射束偏转。
替代电子射束熔化(EBM)方法，可以应用选择性激光熔化(SLM)方法，其同样是基于粉末基底的方法，其中，喷射器头11沿纵向轴线X-X的方向通过刮板逐层地施加到柱形套筒10上并且接下来借助激光在本地熔化。该过程在保护气体氛围下发生。构成粉末基底的球形粉末典型地具有10至45μm的颗粒大小。优选地，镍基合金、铝合金、钛合金或传统的工具钢适合作为材料。
喷射器头11在柱形套筒10上的构造速率取决于喷射器头11的材料选择。在增材方法中的构造速率典型地以每单位时间的体积给定并且例如在1至50cm3/h之间。因此为了使制造过程尽可能成本有利地并且高效地构型，喷射器头11相对于柱形套筒10在体积方面较小地构造。也可以在喷射器头11中设置空腔，以便使制造过程特别高效地构型。
紧接着增材制造方法之后，将阀套筒3由夹紧设备中取出并且以喷气技术从阀套筒3除去残留粉末。
尤其，阀套筒3的功能面可以在最后的工作步骤中完成。已经发现，增材方法具有Rz约为30至150μm的表面质量和直至±0.25mm的尺寸精度，使得优选地适合对功能面、尤其封闭元件座13在最后的制造步骤中进行再加工，以便喷射器1通过关闭元件6和关闭元件座13的共同作用完全气密和液密地封闭。
尤其，从图4得出一阀套筒3，该阀套筒已经根据本发明制造并且具有复杂的几何形状。为了介质8的最佳的射束扩散，在喷射器头11中构造多个在周边上分布的通流凹部20和弯曲的喷射孔15。喷射孔15因此沿着纵向轴线X-X具有弯曲的流动通道，该流动通道的横截面可以是圆的、椭圆的和/或多角形的。
根据本发明的阀套筒3既可以用于向内打开的喷射器1又可以用于向外打开的喷射器1。
因此，根据本发明可以提供以下阀套筒3，该阀套筒的喷射器头11可以具有复杂的并且可个体化调设的几何形状，所述几何形状可不仅价格低地且适合批量生产地制造。由此使得能够在最高尺度的喷雾对靶和最优的穿透的情况下实现尽可能最好的射束散开。
Claims (10)
1.一种喷射器(1)的阀套筒(3)，该喷射器用于喷射介质(8)，尤其用于喷射燃料，该阀套筒包括：
-至少一个柱形套筒(10)和喷射器头(11)，
-其中，所述喷射器头(11)具有关闭元件座(13)和至少一个喷射孔(15)，并且
-其中，所述喷射器头(11)借助增材方法以材料锁合的方式加工附加到所述柱形套筒(10)上。
2.按照权利要求1所述的阀套筒(3)，其特征在于，在所述喷射器头(11)中布置有导入区域(12)，该导入区域具有至少一个通流凹部(20)和/或通流孔(21)。
3.按照权利要求2所述的阀套筒(3)，其特征在于，所述导入区域(12)具有用于支撑关闭元件(6)的至少一个桥接部(22)。
4.按照前述权利要求中任一项所述的阀套筒(3)，其特征在于，所述至少一个喷射孔(15)具有柱形的或弯曲的流动通道。
5.按照前述权利要求中任一项所述的阀套筒(3)，其特征在于，所述喷射器头(11)具有至少一个前部梯级(16)，所述喷射孔(15)中的至少一个喷射孔通到所述前部梯级中。
6.按照前述权利要求中任一项所述的阀套筒(3)，其特征在于，
所述喷射器头(11)借助电子射束熔化(EBM)方法由可导电且可焊接的金属材料加工附加，或
所述喷射器头通过选择性激光熔化(SLM)方法由可焊接的金属材料加工附加。
7.按照前述权利要求中任一项所述的阀套筒(3)，其特征在于，所述柱形套筒(10)是旋转对称的车削件，该车削件由可焊接的金属材料制成。
8.一种喷射器(1)，尤其燃料喷射器，包括按照前述权利要求中任一项所述的阀套筒(3)。
9.一种用于制造喷射器(1)的阀套筒(3)的方法，所述喷射器尤其是燃料喷射器，所述方法包括：
-提供由旋转对称的车削件构成的柱形套筒(10)，并且
-借助增材方法将具有至少一个喷射孔(15)和关闭元件座(13)的喷射器头(11)加工附加到所述柱形套筒(10)上。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述增材方法是选择性激光熔化(SLM)或电子射束熔化(EBM)。
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