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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Düsennadel für einen Injektor zur Kraftstoffeinspritzung und einen Injektor mit solch einer Düsennadel, aufweisend wenigstens einen Führungsabschnitt und einer Ausnehmung mit einer Führungsfläche, wobei die Führungsfläche ausgelegt ist, an einer Innenfläche eines Düsenkörpers des Injektors anzuliegen, und die Ausnehmung die Führungsfläche zumindest teilweise begrenzt und ausgelegt ist, einen Kraftstofffluss entlang des Führungsabschnitts zu ermöglichen.
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Es sind Düsennadeln für Injektoren zur Einspritzung von Kraftstoff in Zylinderbrennräume einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Führungsabschnitt aufweisen. Der Führungsabschnitt weist hierbei Führungsflächen auf, die durch Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Die Führungsflächen dienen dazu, an einer Innenfläche des Düsenkörpers des Injektors anzuliegen und die Düsennadel in ihrer Hubbewegung zu führen. Die Ausnehmungen sind dazu vorgesehen, um Kraftstoff parallel zur Längsachse der Düsennadel entlang der Düsennadel im Düsenkörper des Injektors vorbeiströmen zu lassen. Die Ausnehmungen sind üblicherweise parallel zu einer Längsachse der Düsennadel ausgerichtet, können aber auch gekrümmt ausgebildet sein, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
JP 10 176 631 A1 dargestellt. Üblicherweise werden die Ausnehmungen durch geschliffene Nuten oder aber auch durch das Abtragen der Umfangsfläche hin zu einem Drei- oder Vierkantprofil mittels eines spannenden Hartbearbeitungsprozesses in die Düsennadel eingebracht.
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In der Offenlegungsschrift
EP 0 982 493 A1 ist ein Injektor dargestellt, bei dem die Kraftstoffzuführung auf eine andere Art erfolgt, nämlich durch eine separat dafür vorgesehene Bohrung im Injektorkörper.
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In der Offenlegungsschrift
DE 198 13 454 A1 ist ein Kolben in einer Kolbenführung am Beispiel eines Kraftstoffinjektors mit einer Düsennadel als Kolben dargestellt. In der Düsennadel ist eine schraubenförmige Nut eingebracht, um das Schmierverhalten des Kolben-Zylinder Zusammenspiels positiv zu beeinflussen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Stabilisierung der Düsennadel in dem Düsenkörper des Injektors und eine einfachere Herstellung der Düsennadel zu ermöglichen. Dabei ist es wichtig, dass eine Stabilisierung der Düsennadel in dem Düsenkörper des Injektors in ausreichendem Maß erhalten bleibt.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung einer Düsennadel gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Düsennadel weist einen Führungsabschnitt zur Führung der Düsennadel bei einer Hubbewegung parallel zu einer Längsachse in einem Düsenkörper des Injektors auf, wobei der Führungsabschnitt wenigstens eine Führungsfläche und eine Ausnehmung umfasst. Die Führungsfläche liegt an einer Innenfläche des Düsenkörpers des Injektors an. Die Führungsfläche ist schraubenförmig um die Längsachse der Düsennadel geführt, so dass eine verbesserte Abstützung der Düsennadel innerhalb des Düsenkörpers des Injektors bereitgestellt wird. Die Ausnehmung ist ausgelegt, einen Kraftstofffluss entlang des Führungsabschnitts der Düsennadel zu ermöglichen. Ferner werden die Desaxialisierung aufgrund der schraubenförmigen Ausbildung der Führungsfläche und der Versatz gegenüber möglichen weiteren Führungsabschnitten zueinander minimiert.
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Vorteilhafterweise überlappt sich die wenigstens eine Führungsfläche bei einer Projektion in eine Projektionsebene, die rechtwinklig zu der Längsachse der Düsennadel angeordnet ist, mit sich selbst oder einer weiteren Führungsfläche, so dass die Düsennadel besonders gut stabilisierbar ist.
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Besonders vorteilhaft für die Stabilisierung der Düsennadel ist, wenn die Führungsfläche und die weitere Führungsfläche in der Projektionsebene einen geschlossenen Kreis bilden.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich die Führungsfläche im Wesentlichen über ein Winkelsegment in der Projektionsebene von 60° bis 90°, insbesondere über 65° bis 75°, so dass eine zuverlässige Abstützung der Düsennadel bereits über eine geringe Anzahl von Führungsflächen erfolgen kann.
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Vorteilhafterweise weist der Führungsabschnitt wenigstens einen Führungszahn auf, der schraubenförmig um die Längsachse der Düsennadel geführt ist, wobei radial außenseitig an dem Führungszahn die Führungsfläche angeordnet ist. Durch die Ausbildung der Führungsfläche an dem Führungszahn kann zuverlässig Kraftstoff entlang der Düsennadel auf den Weg über den Führungsabschnitt entlang des Führungszahns gefördert werden.
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Des Weiteren weist der Führungszahn eine Evolventenverzahnung auf. Auf diese Weise kann der Führungszahn einfach mittels Kaltumformverfahren in die Düsennadel eingebracht werden.
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Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Fläche der Ausnehmung des Führungsabschnitts zu einer Gesamtfläche der Düsennadel im Profilschnitt bzw. in der Projektionsebene 0,15 bis 0,30 (insbesondere zwischen 0,18 und 0,25), so dass eine Druckreduzierung bei der Förderung von Kraftstoff entlang der Düsennadel entlang des Führungsabschnitts durch die Ausnehmung gering gehalten ist.
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Weiterhin wird der Führungsabschnitt mittels Kaltumformung, insbesondere mittels des Herstellungsverfahrens Rollen, in die Düsennadel eingebracht. Auf diese Weise kann die Düsennadel kostengünstig auch in Großserie hergestellt werden.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Düsennadel für einen Injektor wird ein Grundkörper der Düsennadel weich bearbeitet, insbesondere gedreht, um der Düsennadel eine vordefinierte Grundform zu geben. Zur Ausbildung des Führungsabschnittes bzw. zur Einbringung von wenigstens einer Ausnehmung und wenigstens einer Führungsfläche wird ein Werkzeug mit Negativform auf dem Grundkörper der Düsennadel abgerollt und so die Form des Führungsabschnitts bzw. dessen Führungsfläche und Ausnehmung in die Düsennadel eingebracht. Der Grundkörper der Düsennadel wird vergütet und anschließend werden wenigstens die Führungsflächen hart bearbeitet, insbesondere hartgedreht oder geschliffen. Auf diese Weise kann die Düsennadel kostengünstig herstellt werden, da die Führungsfläche bzw. die Ausnehmung des Führungsabschnittes mittels einer kostengünstigen Weichbearbeitung des Grundkörpers der Düsennadel hergestellt werden. Dadurch kann die Taktzeit in der Herstellung der Düsennadel reduziert werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei
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1 eine Seitenansicht einer Düsennadel,
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2 eine Schnittansicht eines Injektors mit der in 1 gezeigten Düsennadel,
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3 einen Teilausschnitt des in 2 gezeigten Injektors mit einem Führungsabschnitt der Düsennadel, und
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4 einen Querschnitt durch den Injektor und die Düsennadel im Bereich des Führungsabschnittes zeigen.
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Im Folgenden werden gleiche Bauteile mit gleichem Bezugszeichen benannt.
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1 zeigt eine gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbare Düsennadel 1 und 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Injektor 2 mit der in 1 gezeigten Düsennadel 1.
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Die Düsennadel 1 weist einen Federabschnitt 5 auf, der in montiertem Zustand in dem Injektor 2 von einer Feder 40 umfasst wird. Daran anschließend ist ein Verpressungsabschnitt 6 angeordnet, auf den in montiertem Zustand des Injektors 2 ein Ring 50 aufgepresst ist. Der Ring 50 dient zur Einleitung von Verspannungskräften aus der Feder 40 in die Düsennadel 1. Vom Verpressungsabschnitt 6 nach unten hin verjüngt sich die Düsennadel 1 über den Verjüngungsabschnitt 7 hin zu einer Einschnürung 8. Daran angrenzend ist ein erster Führungsabschnitt 11 angeordnet. Unterseitig wird der erste Führungsabschnitt 11 durch eine weitere Einschnürung 8 begrenzt, an die sich ein Schaft 12 anschließt. Daran schließt sich ein zweiter Führungsabschnitt 13 an, der beidseitig durch weitere Einschnürungen 8 begrenzt wird. Von der zuunterst angeordneten Einschnürung 8 ist ein weiterer Schaft angeordnet. Daran anschließend verjüngt sich die Düsennadel 1 über mehrere Kegelabschnitte hin zu einer Spitze der Düsennadel 1. Dabei ist zwischen dem weiteren Schaft und der Spitze ein Sitzbereich vorgesehen, der in geschlossener Stellung des Injektors 2 an dem Düsenkörper 3 des Injektors 2 aufliegt.
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Der Injektor ist zur Einspritzung von Kraftstoff in Zylinderbrennräume einer Brennkraftmaschine ausgelegt. Dabei werden sowohl der Einspritzzeitpunkt als auch die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch eine Position der Düsennadel 1 in dem Injektor 2 bestimmt. Um den Einspritzvorgang zu steuern, wird die Düsennadel 1 entlang ihrer Längsachse 10 in einem Düsenkörper 3 des Injektors angehoben und gesenkt.
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Der erste Führungsabschnitt 11 und der zweite Führungsabschnitt 13 dienen dazu, die Düsennadel im Düsenkörper 3 des Injektors in der Hubbewegung zu führen und ein axiales Ausweichen der Düsennadel 1 bei der Hubbewegung zu verhindern. Ferner wird in einem Zwischenraum 31 zwischen dem Düsenkörper und der Umfangsfläche der Düsennadel 1 Kraftstoff hin zur Spitze der Düsennadel 1 gefördert, der dann bei geöffneter Düsennadelstellung unter hohem Druck über eine Öffnung 32 am unteren Ende des Injektors 2 in den Zylinderbrennraum eingespritzt wird.
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3 zeigt einen mit gestrichelter Linie in 2 markierten Ausschnitt des Injektors 2 und 4 zeigt einen Querschnitt entlang einer in 2 gezeigten Schnittebene B-B durch den Injektor 2. Der Führungsabschnitt 11 umfasst mehrere Führungszähne 20, die durch einzelne Ausnehmungen 21 voneinander getrennt sind. Die Führungszähne 20 weisen die Kontur einer Evolventenverzahnung auf, so dass die Zahnflanken 32 der Führungszähne 20 konvex und der Verzahnungsgrund 23 konkav ausgebildet ist. Radial außen liegend ist an jedem der Führungszähne 20 jeweils eine Führungsfläche 14, 15, 16 angeordnet. Eine erste Führungsfläche 14 bzw. eine zweite Führungsfläche 15 bzw. eine dritte Führungsfläche 16 weisen jeweils eine vordefinierte, in Umfangsrichtung der Düsennadel 1 definierte Breite B auf. Bevorzugterweise ist die Breite der Führungsfläche 14, 15, 16 in Umfangsrichtung der Düsennadel 1 bezogen auf ein von der Führungsfläche 14, 15, 16 festgelegtes Winkelsegment 1,5 bis 5° breit. Vorteilhafterweise liegt die Breite B insbesondere zwischen 2° und 3°, in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform zwischen 2,2° und 2,3°.
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Die Führungszähne 20 bzw. die Führungsflächen 14, 15, 16 und die Ausnehmungen 21 sind schraubenförmig in Bezug auf die Längsachse an der Umfangsfläche der Düsennadel 1 angeordnet. Die Ausnehmungen 21 sind in dem ersten Führungsabschnitt 11 dazu vorgesehen, einen Kraftstofffluss von in 2 und 3 oben in Richtung der Spitze der Düsennadel 1 am ersten Führungsabschnitt 11 entlang bereitzustellen.
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Die Führungsflächen 14, 15, 16 liegen in montiertem Zustand der Düsennadel 1 an einer Innenfläche, in der Ausführungsform an einer korrespondierenden inneren Umfangsfläche 30 des Düsenkörpers 3 an. Jede Führungsfläche 14, 15, 16 schließt dabei jeweils ein korrespondierendes Führungssegment 140, 150, 160 ein. Durch das Anliegen der Führungsflächen 14, 15, 16 wird die Düsennadel 1 in ihrer Hubbewegung, also in der Bewegung in Richtung der Längsachse 10, die sich mit einer nichtdargestellten Längsachse des Injektors 2 überlappt, stabilisiert. Durch die schraubenförmige Ausbildung der Führungsflächen 14, 15, 16 kann trotz einer geringen Breite B der Führungsflächen 14, 15, 16 die Breite des zur jeweiligen Führungsfläche 14, 15, 16 korrespondierenden Führungssegments 140, 150, 160 erhöht werden, so dass die Düsennadel 1 in einem breiten Winkel- bzw. Umfangssegment der Düsennadel 1 anliegt und so zuverlässig in ihrer Hubbewegung geführt ist.
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In 3 ist ferner mit strichlierter Linie eine Projektionsebene A-A gezeigt, die rechtwinklig zur Längsachse 10 angeordnet ist bzw. deren Ebenenvektor parallel zur Längsachse 10 verläuft. Werden die Führungsflächen 14, 15, 16 in die Projektionsebene A-A projiziert (unterhalb des Ausschnitts des Injektors 2 in 3 dargestellt), so bildet jede Führungsfläche 14, 15, 16 ein korrespondierendes Kreissegment ab. Besonders vorteilhaft für die Stabilisierung der Düsennadel 1 ist es, wenn sich die jeweils korrespondierenden Kreissegmente in der Projektionsebene A-A überlappen.
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In jeweils einem Überlappungsbereich 145, 146 zwischen einem ersten Führungssegment 140 und einem zweiten Führungssegment 150 bzw. zwischen dem ersten Führungssegment 140 und einem dritten Führungssegment 160 liegen die erste Führungsfläche 14 und die zweite bzw. die dritte Führungsfläche 15, 16 liegt axial gleicher Höhe an der inneren Umfangsfläche 30 des Düsenkörpers 3 des Injektors 2 an. So liegt beispielsweise für einen ersten Überlappungsbereich 145 zwischen dem ersten Führungssegment 140 und dem zweiten Führungssegment 150 die erste Führungsfläche 14 in einem oberen Bereich des ersten Führungsabschnitts 11 und die zweite Führungsfläche 15 in einem unteren Bereich der Führungsfläche 15 auf axial gleicher Höhe an der inneren Umfangsfläche 30 des Düsenkörpers 3 des Injektors 2 an. Dies stabilisiert die Düsennadel zusätzlich und verhindert eine Deaxialisierung der Düsennadel 1.
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Um eine Überlappung zu gewährleisten, weisen die Führungszähne 20 bzw. die radial außen liegenden jeweiligen Führungsflächen 14, 15, 16 eine Steigung von 17° bis 25°, insbesondere von 20° bis 22° auf. Durch die in der Ausführungsform gewählte Anzahl von sechs Führungszähnen 20 in dem ersten Führungsabschnitt 11 überlappen sich die Führungsflächen 14, 15, 16 in der Projektionsebene A-A durch die projizierten Führungssegmente 140, 150, 160 derart, dass sie in der Projektionsebene A-A einen geschlossener Kreis zusammen bilden. Auf diese Weise wird eine besonders gute Stabilisierung der Düsennadel 1 durch den ersten Führungsabschnitt 11 ermöglicht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Ausführungsform ist, wenn die Führungsflächen 14, 15, 16 bzw. die korrespondierenden Führungssegmente 140, 150, 160 ein Winkelsegment von 60° bis 90° jeweils einschließen, insbesondere von 65° bis 75°, einschließen. Auch ist denkbar dass die Führungsfläche sich wenigstens einmal vollständig um die Düsennadel windet und so ein Winkelsegment von wenigstens 360° einschließt. Dies hätte zur Folge, dass sich die Führungsfläche bei einem Winkelsegment von größer 360° sich mit sich selbst in der Projektionsebene A-A überlappt.
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Der in den 1 und 2 gezeigte zweite Führungsabschnitt 13 ist analog zum ersten Führungsabschnitt 11 ausgebildet. Einzige Abweichung des zweiten Führungsabschnitts 13 zum ersten Führungsabschnitt 11 ist, dass die axiale Erstreckung des zweiten Führungsabschnitts 13 in Richtung der Längsachse 10 kürzer ist als die des ersten Führungsabschnitts 11. Dies hat bei gleicher Steigung der Führungsflächen des zweiten Führungsabschnitts 13 zur Folge, dass diese bzw. deren von ihnen eingeschlossenen Führungssegmente sich in einer Projektionsebene B-B nicht überlappen.
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Um eine Überlappung der zu den Führungsflächen korrespondierenden Führungssegmente auch im zweiten Führungsabschnitt 13 zu gewährleisten, wäre denkbar, die Steigung der Führungsflächen bzw. der Führungszähne zu erhöhen oder die axiale Erstreckung des zweiten Führungsabschnitts 13 zu erhöhen.
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In der Ausführungsform ist die Steigung der beiden Führungsabschnitte 11, 13 identisch. Alternativ ist auch denkbar, die Steigung gegenläufig zu wählen, um eine Verwirbelung des Kraftstoffs im Zwischenraum 31 zwischen Düsenkörper 3 und Düsennadel 1 durch den ersten Führungsabschnitt 11 zu reduzieren oder an eine gewünschte Zerstäubung des Kraftstoffs beim Einspritzvorgang anzupassen.
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Auch sind in der Ausführungsform zwei Führungsabschnitte 11, 13 vorgesehen, die durch den Schaft 12 räumlich voneinander getrennt sind. Dadurch kann die Desaxialisierung der Düsennadel 1 reduziert werden. Alternativ ist auch denkbar, die beiden Führungsabschnitte 11, 13 zu einem Führungsabschnitt ohne räumliche Trennung zu verschmelzen, um eine zuverlässige Führung der Düsennadel 1 bereitzustellen.
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Um einen ausreichenden Kraftstofffluss an den Führungsabschnitten 11, 13 zu ermöglichen, beträgt das Verhältnis aller aufsummierten Flächen AA der Ausnehmungen 21 zu einer Gesamtfläche AD der Düsennadel im Profilschnitt B-B (vgl. 4) 0,15 bis 0,30, insbesondere aber 0,18 bis 0,25. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass durch den Führungsabschnitt 11, 13 der Kraftstofffluss hin zur Spitze des Injektors 2 nicht beeinträchtigt ist. Ferner dient der Kraftstoff an den Führungsflächen 14, 15, 16 hin zu der inneren Umfangsfläche 30 des Düsenkörpers 3 des Injektors 2 als Schmierung, um den erhöhten Verschleiß zwischen der Düsennadel 1 und dem Düsenkörper 3 zu vermeiden.
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Zur Herstellung der Düsennadel 1 wird in einen nichtdargestellten Grundkörper bzw. einen Rohling der Düsennadel 1 eine Grundform durch Weichbearbeitung, insbesondere durch Drehen eingebracht.
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Im Anschluss an das Drehen kann der erste Führungsabschnitt 11 bzw. zweite Führungsabschnitt 13 durch Kaltumformen, insbesondere durch Rollen, eingebracht werden. Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn nur ein einziges Werkzeug zum Aufrollen des ersten Führungsabschnitts 11 und des zweiten Führungsabschnitts 13 verwendet wird, so dass in einem Herstellungsschritt beide Führungsabschnitte 11, 13 bzw. deren Ausnehmungen 21 und Führungsflächen 14, 15, 16 in die Düsennadel 1 eingebracht werden können. Um das bei dem Rollen verdrängte Material ausweichen zu lassen, sind die Einschnürungen 8 oberseitig und unterseitig des ersten Führungsabschnitts 11 bzw. zweiten Führungsabschnitt 13 vorgesehen. Beim Rollen wird in diese Einschnürung 8 das Material des Grundkörpers verdrängt, ohne dass der Schaft 12 sich verdickt und so ein vordefinierter Abstand zwischen der Düsennadel 1 und der inneren Umfangsfläche 30 des Düsenkörpers 3 durch die Wulstbildung unterschritten wird. Hierbei ist die Wahl einer Evolventenverzahnung für den Führungsabschnitt 11, 13 von besonderem Vorteil, da hierbei das Werkzeug im Wesentlichen auf der Düsennadel 1 abrollt und ein Gleitvorgang zwischen Werkzeug und Düsennadel 1 vermieden wird. Dies resultiert in einer hohen Verarbeitungsgenauigkeit und in einem geringen Verschleiß des Werkzeugs.
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Alternativ ist denkbar, einen korrespondierenden Führungsabschnitt 11, 13 mit jeweils einem separaten Werkzeug zu rollen, um so auf gegebenenfalls notwendige Geometrieunterschiede, insbesondere eine geänderte Steigung in der Herstellung eingehen zu können.
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Im Anschluss an das Rollen wird der Grundkörper der Düsennadel 1 vergütet, also einer Wärmebehandlung unterzogen, um der Oberfläche der Düsennadel 1 die für die Betriebseigenschaften notwendigen Eigenschaften, insbesondere eine vordefinierte Härte zu verleihen. Daran anschließend werden der erste Führungsabschnitt 11 und der zweite Führungsabschnitt 13 sowie der Sitzbereich und der Verpressungsabschnitt 6 mittels einer Hartbearbeitung, insbesondere mittels eines Hartdrehvorgangs oder eines Schleifvorgangs nachbearbeitet, um eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte der genannten Abschnitte gewährleisten.
