DE102006043821A1

DE102006043821A1 - Brennstoffeinspritzventil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006043821A1
Application number: DE200610043821
Authority: DE
Inventors: Jens Pohlmann; Joerg Schlerfer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (18) einer Brennkraftmaschine, weist eine Ventilnadel (3), die an ihrem abspritzseitigen Ende einen in einer Ventilnadelführung (36) geführten Ventilschließkörper (4) aufweist, der mit einer Ventilsitzfläche (6), die an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet ist, zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, zumindest einen Drallkanal (35) und eine Abspritzöffnung (7) auf, durch die der mit Drall versehene Brennstoff abgespritzt wird, wobei der zumindest eine Drallkanal (35), die Abspritzöffnung (7) und die Ventilnadelführung (36) integral mit dem Ventilsitzkörper (5) gebildet sind, wobei der zumindest eine Drallkanal (35) im Wesentlichen parallel zur Ventillängsachse verläuft.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzelements nach der Gattung des Anspruchs 9 aus.
Hochdruckeinspritzventile zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine der sogenannten „ersten Generation" verwenden zur Erzeugung einer Drallkomponente im Ventil zum Beispiel eine gestanzte Drallscheibe mit tangential angeordneten Drallkanälen, die alle in einer Ebene liegen. Bei dieser Art der Ventilherstellung ist es erforderlich, eine zusätzliche Ventilnadelführungsscheibe und den Ventilsitz aufwändig miteinander zu verschweißen, wobei die miteinander verschweißten Bauteile anschließend noch geschliffen werden müssen.
Hochdruckeinspritzventile der sogenannten „zweiten Generation" sind zwar gegenüber denen der ersten Generation kostengünstiger mittels eines Metall-Spritzgießverfahrens (MIM) herstellbar, jedoch war es bisher nur möglich, mit Hilfe dieses Verfahrens Mehrlochventilsitze herzustellen.
Aus DE 100 49 518 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches einen Ventilsitzkörper und eine mit dem Ventilsitzkörper z. B. durch Schweißen oder Löten verbundenen Ventilnadelführung aufweist. In einem ringförmigen Einsatz, welcher in den Ventilsitzkörper einsetzbar ist, sind Brennstoffkanäle ausgebildet, die in eine Drallkammer münden. Die Brennstoffkanäle sind gegenüber einer Ebene, welche parallel zur zulaufseitigen Stirnseite des Ventilsitzkörpers verläuft, unter einem Winkel α in Abspritzrichtung geneigt und weisen eine tangentiale Komponente relativ zur Mittelachse des Brennstoffeinspritzventils auf, um dem Brennstoff einen Drall zu erteilen.
Aus der DE 100 55 513 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches eine an einem Ventilsitzkörper ausgebildete Drallkammer aufweist, in welchen zumindest ein Drallkanal mündet und aus welcher mehrere Abspritzöffnungen ausmünden. Zur Erzeugung einer homogenen Drallströmung ist eine Drallscheibe zulaufseitig der Drallkammer angeordnet oder eine als Drallkanal wirkende Zuströmöffnung mit tangentialer Komponente ist in dem Ventilsitzkörper ausgebildet, welche in radialer Richtung verläuft.
In DE 100 46 304 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzkörpers beschrieben, bei welchem Drallnuten spanlos in den Ventilsitz durch Erodieren oder durch elektro-chemische Metallbearbeitung eingebracht werden.
Nachteilig ist bei allen oben erwähnten Brennstoffeinspritzventilen bzw. Verfahren, mittels welcher sie hergestellt werden, dass sie eine aufwendige Konstruktion mit vielen einzelnen Bauteilen, die zusammengefügt werden müssen, erfordern, was eine hohe Anzahl von Verfahrensschritten zur Folge hat.
Vorteile der Erfindung
Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 den Vorteil, dass die drallerzeugenden Kanäle nicht wie bisher in einer Ebene, sondern senkrecht dazu, also in dem Ventilsitz vertikal in Entformungsrichtung eines Spritzgießwerkzeugs angeordnet sind, und somit ein kostengünstiges Metall-Spritzgießverfahren zur Herstellung angewandt werden kann, bei welchem Ventilsitz, Drallerzeugung und Nadelführung in einem Bauteil untergebracht sind bzw. integral miteinander ausgebildet sind. Durch diese Konfiguration und die damit mögliche Anwendung eines Metall-Spritzgießverfahrens (MIM, Metal Injection Molding), wird nicht nur ein erheblicher Kostenvorteil sondern auch eine höhere Genauigkeit erreicht.
Da bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil in Form eines Drallventils im Gegensatz zum Mehrlochventil nur ein ungestuftes Spritzloch benötigt wird, entsteht selbst im Vergleich zum Mehrlochventil noch ein Kostenvorteil. Somit ist es möglich, ein kostengünstiges Brennstoffeinspritzventil, welches das Drallprinzip verwendet, bereitzustellen, wobei abhängig vom Brennverfahren das Drallprinzip bessere Motorergebnisse bzw. eine längere Motorlebensdauer hervorbringen kann, da es durch seine geringere Strahlpenetration eine nachteilige Ölverdünnung vermeidet.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils sowie eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem Stand der Technik sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Werkzeugkern, welcher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt wird;
3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Ventilsitz; und
4 eine schematische Schnittansicht eines mittels Metall-Spritzgießverfahrens hergestellten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß dem Stand der Technik, welches aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist, besteht. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich um ein nach innen öffnendes elektromagnetisch betätigtes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen den Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen sich auf einem Verbindungsbauteil 29 ab.
Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann. die Ventilnadel 3 ist an einem stromaufwärtigen Abschnitt in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15.
An der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
Ein zweiter Flansch 31, welcher mit der Ventilnadel 3 ebenfalls über eine Schweißnaht 33 verbunden ist, dient als unterer Ankeranschlag. Ein elastischer Zwischenring 32, welcher auf dem zweiten Flansch 31 aufliegt, vermeidet Prellen beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils 1.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und im Ventilsitzkörper 5 verlaufen Brennstoffkanäle 30a, 30b, die den Brennstoff, welcher über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert wird, zur Abspritzöffnung 7 in dem Ventilsitzkörper 5 leiten. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht dargestellte Verteilerleitung abgedichtet.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 über den ersten Flansch 21 an der Ventilnadel 3 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 13 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgesehen ist.
Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, und damit die Ventilnadel 3 ebenfalls in der Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab und der über die Brennstoffkanäle 30a, 30b zur Abspritzöffnung 7 gelangende Brennstoff wird abgespritzt. Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 auf den ersten Flansch 21 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich die Ventilnadel 3 entgegen der Hubrichtung bewegt. Dadurch setzt der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 auf, und das Brennstoffeinspritzventil 1 wird geschlossen.
2 zeigt schematisch einen Werkzeugkern 34, welcher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Metall-Spritzgießtechnik angewandt wird. Das auch als Metal Injection-Molding (MIM) bezeichnete Verfahren umfasst die Herstellung von Formteilen aus einem Metallpulver mit einem Bindemittel, z. B. einem Kunststoffbindemittel, beispielsweise auf konventionellen Kunststoffspritzgießmaschinen und das nachfolgende Entfernen des Bindemittels und Sintern des verbleibenden Metallpulvergerüstes.
Das zu verwendende Metallpulver wird in einem ersten Verfahrensschritt mit dem Bindemittel in einer Mischvorrichtung gemischt und homogenisiert. Dieses Gemisch wird in einer Granuliervorrichtung zu einem Granulat aufbereitet und in an sich bekannter Art und Weise mittels einer Kunststoffspriztgießmaschine zu einem Formteil weiterverarbeitet. Aus dem spritzgegossenen Formteil werden anschließend die Bestandteile des Kunststoffbindemittels durch thermische Verfahren, z. B. unter Schutzgaseinfluss entfernt. Das verbleibende Materialgerüst des Formteils besteht danach zu ca. 60 Vol.% aus Metall.
Um die Dichte des Formteils zu erhöhen, wird das Formteil z. B. unter Schutzgaseinfluss in einer Sintervorrichtung gesintert. Der Sintervorgang kann aber auch unter Wasserstoffeinfluss oder in einem Vakuum vorgenommen werden. Bei Bedarf kann das Formteil dann durch heißisostatiscches Pressen nachverdichtet werden.
Der bei dem oben beschriebenen MIM-Verfahren verwendete Werkzeugkern 34 ist so ausgebildet, dass in dem Bauteil bzw. in dem Ventilsitzkörper 5 senkrechte Drallkanäle 35 entstehen. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind die Drallkanäle 35 nicht in einer Ebene sondern senkrecht dazu, also vertikal in Entformungsrichtung S des Spritzgießwerkzeugs 34 angeordnet. Die Drallkanäle 35 sind so angeordnet, dass sie möglichst tangential am Kugelumfang der Ventilnadelkugel (nicht gezeigt) angrenzen.
Die Umlenkung der Brennstoffströmung in eine tangentiale, drallerzeugende Richtung erfolgt am unteren Ende der vertikalen Kanäle. Hierfür befindet sich dort ein entsprechend ausgebildeter Radius 37, der die Strömung umlenkt. Der Ventilsitz 5 wird durch das Werkzeug 34 so ausgebildet, dass die Drallkanäle 35 durch die Ventilnadelkugel (nicht gezeigt) im Bereich von deren Äquator weitgehend abgeschlossen sind, sich aber am Auslauf der Drallkanäle 25 einen gemeinsamen Strömungsraum in Form einer Drallkammer (nicht gezeigt) bietet, in dem die in den Drallkanälen 25 erzeugte Strömung gerichtet einmündet und somit eine Drallströmung erzeugt.
Die Stärke des Dralls kann dabei durch die Anzahl der Drallkanäle, welche in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sechs sind, deren Tangentialität und/oder dem Umlenkradius beeinflusst werden. Das Werkzeug 34 ist weiterhin so ausgebildet, dass nur eine einzige Abspritzöffnung 7 am abspritzseitigen Ende des Ventilsitzelements 5 entsteht, und dass Ventilnadelführungsabschnitte 36 zur Führung der Ventilnadel an ihrem stromabwärtigen Ende vorgesehen werden.
3 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Ventilsitzelement 5, welches sechs vertikale am unteren Ende mit einem Radius 37 versehene Drallkanäle 35 aufweist.
4 ist eine schematische Schnittansicht eines mittels Metall-Spritzgießverfahrens hergestellten erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1. Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist eine Ventilnadel 3 mit an dem unteren Ende daran angeschweißten Kugel als Ventilschließkörper 4 auf. In dem Düsenkörper 2 ist ein Ventilsitzelement 5 angeordnet, welches integral damit ausgebildet eine Ventilnadelführung 36, vertikale Drallkanäle 35 und ein Abspritzloch 7 aufweist.
Zwischen dem Ventilschießelement 4 und dem Auslauf der Drallkanäle 35 ist ein gemeinsamer Strömungsraum in Form einer Drallkammer 38 ausgebildet. Die Drallkanäle 35 weisen an ihrem unteren abströmseitigen Ende eine Krümmung bzw. einen Radius 37 auf, der der Brennstoffströmung den notwendigen Drall verleiht.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Ventilnadel (3), die an ihrem abspritzseitigen Ende einen in einer Ventilnadelführung (36) geführten Ventilschließkörper (4) aufweist, der mit einer Ventilsitzfläche (6), die an einem Ventilsitzkörper (5) ausgebildet ist, zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, zumindest einem Drallkanal (35) und einer Abspritzöffnung (7), durch die der mit Drall versehene Brennstoff abgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Drallkanal (35), die Abspritzöffnung (7) und die Ventilnadelführung (36) integral mit dem Ventilsitzkörper (5) gebildet sind, wobei der zumindest eine Drallkanal (35) im Wesentlichen parallel zur Ventillängsachse verläuft.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (5) mittels eines Metall-Spritzgießverfahrens herstellbar ist.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Drallkanal (35) in einer Entformungsrichtung eines Spritzgießwerkzeugs (34) verläuft.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Drallkanal (35) an einem abspritzseitigen Ende mit einer Krümmung, insbesondere mit einem Radius (37) versehen ist, um die Brennstoffströmung in eine tangentiale, drallerzeugende Richtung umzulenken.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (4) als Ventilnadelkugel ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (5) derartig ausgebildet ist, der zumindest eine Drallkanal (35) durch die Ventilnadelkugel im Bereich von deren Äquator im Wesentlichen vollständig abgeschlossen wird.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslauf des zumindest einen Drallkanals (35) zwischen dem Ventilsitzkörper (5) und dem Ventilschließelement (4) eine Drallkammer (38) gebildet ist, in den die in dem zumindest einen Drallkanal (35) erzeugte Strömung gerichtet einmündet.
Brennstoffeinspritzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Dralls durch die Anzahl der Drallkanäle (35), deren tangentialer Ausrichtung und deren Umlenkradius (37) bestimmbar ist.
Verfahren zum Herstellen eines Ventilsitzelements (5) mit einer einzigen Abspritzöffnung (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (5) mit zumindest einem Drallkanal (35), der Abspritzöffnung (7) und einer Ventilnadelführung (36) durch ein Metall-Spritzgießverfahren (MIM) hergestellt wird, wobei ein Spritzgießwerkzeug (34) verwendet wird, welches ausgebildet ist, um den zumindest einen Drallkanal (35) im Wesentlichen parallel zur Ventillängsachse herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießwerkzeug (34) ausgebildet ist, um den zumindest einen Drallkanal (35) in einer Entformungsrichtung herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießwerkzeug (34) ausgebildet ist, um den zumindest einen Drallkanal (35) an einem abspritzseitigen Ende mit einer Krümmung, insbesondere mit einem Radius (37) herzustellen, welcher geeignet ist, um die Brennstoffströmung in eine tangentiale, drallerzeugende Richtung umzulenken.