DE102017205483A1

DE102017205483A1 - Valve sleeve of an injector and manufacturing method therefor

Info

Publication number: DE102017205483A1
Application number: DE102017205483.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Knorpp; Olaf Schoenrock; Friedrich Moser; Hannes Willeck; Gunnar Walther; Peter Rueck; Markus Feigl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Also published as: JP2018173079A; CN108708810A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilhülse (3) eines Injektors (1) zum Einspritzen eines Mediums (8), insbesondere zur Einspritzung eins Kraftstoffs, umfassend mindestens eine Zylinderhülse (10) und einen Injektorkopf (11), wobei der Injektorkopf (11) einen Schließelementsitz (13) und mindestens ein Spritzloch (15) aufweist, und wobei der Injektorkopf (11) stoffschlüssig an die Zylinderhülse (10) mittels eines additiven Verfahrens angearbeitet ist.

The invention relates to a valve sleeve (3) of an injector (1) for injecting a medium (8), in particular for injecting a fuel, comprising at least one cylinder sleeve (10) and an injector head (11), the injector head (11) having a closure element seat (11). 13) and at least one injection hole (15), and wherein the injector head (11) is firmly bonded to the cylinder sleeve (10) by means of an additive method.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine fertigungsoptimierte Ventilhülse für einen Injektor zum Einspritzen eines Mediums, die teilweise mittels eines additiven Verfahrens hergestellt ist, einen Injektor mit einer derartigen Ventilhülse und ein Herstellungsverfahren dafür.The present invention relates to a production-optimized valve sleeve for an injector for injecting a medium, which is manufactured in part by means of an additive method, an injector with such a valve sleeve and a manufacturing method thereof.

Injektoren zum Einbringen von Medien, beispielsweise zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff oder zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein derartiger Injektor ist beispielsweise aus der DE 10 2013 220 836 A1 bekannt und umfasst typischerweise eine Ventilhülse und einen Injektorkopf, die zusammen mit weiteren Bauteilen einen Druckraum umschließen. Entlang einer Längsachse ist in der Ventilhülse ein Schließelement beweglich angeordnet, das bei einer Axialbewegung mit einem Schließelementsitz zusammenwirkt. Das Schließelement öffnet und schließt in Abhängigkeit von seiner Stellung eine oder mehrere in den Injektorkopf eingearbeitete Spritzlöcher und der Kraftstoff wird unter hohem Druck aus dem Druckraum ausgepresst, so dass dieser beim Austreten aus dem Spritzloch zerstäubt wird.Injectors for introducing media, for example for injecting liquid fuel or for injecting a gaseous fuel, are known from the prior art in different embodiments. Such an injector is for example from the DE 10 2013 220 836 A1 known and typically comprises a valve sleeve and an injector head, which together with other components enclose a pressure chamber. Along a longitudinal axis, a closing element is movably arranged in the valve sleeve, which cooperates with an axial movement with a closing element seat. The closing element opens and closes depending on its position, one or more injection holes incorporated in the injector and the fuel is pressed out of the pressure chamber under high pressure, so that it is atomized as it exits the spray hole.

Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an den Injektor im Hinblick auf die Strahlaufbereitung, erfolgt die Kraftstoffzuführung aus dem Druckraum zu den Spritzlöchern über eine komplexe Geometrie in der Ventilhülse, die eine bestmögliche Strahlauffächerung, bei einem Höchstmaß von Spray-Targeting und optimaler Penetration, ermöglichen soll. Das Fertigen dieser komplexen Geometrie in der Ventilhülse ist aufgrund der Vielzahl von anzuwendenden Fertigungsverfahren, Hinterschneidungen und sehr kleinen geometrischen Abmessungen besonders kostenintensiv und somit ineffizient.Due to the ever increasing demands on the injector with respect to the jet preparation, the fuel supply from the pressure chamber to the spray holes via a complex geometry in the valve sleeve, which is to allow the best possible Strahlauffächerung, with a maximum of spray targeting and optimal penetration. The manufacturing of this complex geometry in the valve sleeve is particularly cost intensive and therefore inefficient due to the large number of manufacturing methods, undercuts and very small geometric dimensions to be used.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Ventilhülse eines Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Ventilhülse beliebig komplexe Geometrien aufweisen kann und gleichzeitig das Herstellungsverfahren der Ventilhülse derart optimiert ist, dass ein Kostenvorteil, insbesondere durch einen Zeitvorteil, entsteht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ventilhülse mindestens eine Zylinderhülse und einen Injektorkopf umfasst, wobei der Injektorkopf einen Schließelementsitz und mindestens ein Spritzloch aufweist, und wobei der Injektorkopf stoffschlüssig an die Zylinderhülse mittels eines additiven Verfahrens angearbeitet ist. Hierdurch kann die Ventilhülse in einem sehr effektiven Verfahren auch mit komplexen Geometrien kostengünstig hergestellt werden. Das additive Verfahren ermöglicht zudem hochkomplexe Geometrien im Injektorkopf, beispielsweise Hinterschneidungen, gekrümmte Bohrungen oder dgl., die durch herkömmliche Fertigungsverfahren nur äußerst aufwendig - wenn überhaupt -herstellbar sind.The valve sleeve of an injector according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the valve sleeve may have any complex geometries and at the same time the manufacturing process of the valve sleeve is optimized so that a cost advantage, in particular by a time advantage arises. This is inventively achieved in that the valve sleeve comprises at least a cylinder sleeve and an injector head, wherein the injector head has a closing element seat and at least one injection hole, and wherein the injector head is cohesively bonded to the cylinder sleeve by means of an additive method. As a result, the valve sleeve can be produced inexpensively in a very effective method even with complex geometries. In addition, the additive method enables highly complex geometries in the injector head, for example undercuts, curved bores or the like, which can only be produced extremely expensively - if at all - by conventional production methods.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Bevorzugt ist in den Injektorkopf ein Zuleitungsbereich mit mindestens einer Durchflusstasche oder mindestens einer Durchflussbohrung angeordnet. Die Durchflusstaschen bzw. die Durchflussbohrungen erhöhen die effektiv durchströmte Fläche, durch die der Kraftstoff aus dem Druckraum zum Schließelementsitz fließen kann. Die Durchflusstaschen bzw. die Durchflussbohrungen können symmetrisch oder asymmetrisch über den Umfang um die Längsachse X-X verteilt sein. Insbesondere die Zuordnung von mindestens einer Durchflusstasche bzw. Durchflussbohrung zu mindestens einem Spritzloch kann zu einer asymmetrischen Anordnung der Durchflusstaschen bzw. Durchflussbohrungen in dem Injektorkopf führen.Preferably, a supply area with at least one flow pocket or at least one flow bore is arranged in the injector head. The flow-through pockets or through-flow bores increase the effective area through which the fuel can flow from the pressure chamber to the closing element seat. The flow-through pockets or flow-through holes may be distributed symmetrically or asymmetrically about the circumference about the longitudinal axis X-X. In particular, the assignment of at least one flow pocket or throughflow bore to at least one injection hole can lead to an asymmetrical arrangement of the flow pockets or flow holes in the injector head.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Durchflusstaschen nach Art einer Nut in der Innenwand des Injektorkopfes ausgeformt, so dass mindestens ein Steg gebildet ist, der beispielsweise das Schließelement in radialer Richtung nach Art eines Gleitlagers abstützt und/oder führt. Die Durchflussbohrungen dagegen können in einen umlaufenden Steg, der nach Art eines Absatzes an der Innenwand des Injektorkopfes ausgebildet ist, eingebracht sein. Eine Kombination von Durchflusstaschen und Durchflussbohrungen in dem Injektorkopf ist möglich. According to a further preferred embodiment, the flow passages are shaped in the manner of a groove in the inner wall of the injector, so that at least one web is formed, for example, supports the closing element in the radial direction in the manner of a plain bearing and / or leads. By contrast, the through-flow bores can be introduced into a peripheral web, which is designed in the manner of a shoulder on the inner wall of the injector head. A combination of flow pockets and flow holes in the injector head is possible.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Injektorkopf mindestens eine Vorstufe auf, in die jeweils mindestens ein Spritzloch mündet. Durch die Vorstufe ist die durchströmte Fläche des Spritzlochs mindestens einmal stufenförmig erweitert, so dass durch die Vorstufe die effektive Länge des Spritzlochs reduziert und das eigentliche Spritzloch vor Verkokung geschützt ist.According to a further preferred embodiment, the injector head has at least one preliminary stage, into which in each case at least one injection hole opens. Due to the precursor, the flow-through surface of the injection hole is at least once stepped, so that reduced by the precursor, the effective length of the injection hole and the actual injection hole is protected from coking.

Vorzugsweise weist das mindestens eine Spritzloch einen zylindrischen oder gekrümmten Strömungskanal auf. Durch die Form des Strömungskanals kann das Targeting und die Strahlaufbereitung beeinflusst werden, wodurch beim Einspritzen eine optimale Verteilung des Mediums in einem Raum erreicht ist. Der Querschnitt des Strömungskanals kann dabei rund, elliptisch und/oder mehreckig sein.Preferably, the at least one injection hole has a cylindrical or curved flow channel. Due to the shape of the flow channel, the targeting and the jet preparation can be influenced, whereby an optimal distribution of the medium in a room is achieved during injection. The cross section of the flow channel can be round, elliptical and / or polygonal.

Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Injektorkopf mit dem Electron Beam Melting (EBM) Verfahren, dass auch Elektronenstrahlschmelzen genannt wird, auf die Zylinderhülse angearbeitet wird. Das Electron Beam Melting (EBM) Verfahren ist ein pulverbettbasiertes Verfahren, bei dem mittels eines Elektrodenstrahls im Vakuum ein Metallpulver aufgeschmolzen wird. Dieses Verfahren läuft bei hoher Verfahrenstemperatur ab und kann in Abhängigkeit von der Geometrie des Injektorkopfs Stützstrukturen erfordern. Durch die trägheitsfreie Strahlenablenkung (Multi Beam Strategie) können parallel Verschmelzungen erzeugt werden und somit die Aufbauraten des Injektorkopfes oder mehrerer Injektorköpfe erhöht werden, wodurch die Fertigungszeiten deutlich reduziert werden können. Als Ausgangswerkstoff für den Injektorkopf ist vorzugsweise ein sphärisches Pulver mit einer Korngröße von bevorzugt 45-105 µm zu verwenden. Der Ausgangswerkstoff für den Injektorkopf muss aus einem elektrisch leitfähigen, schweißbaren metallischen Werkstoff gebildet sein, jedoch sollten magnetische Werkstoffe aufgrund einer möglichen Strahlenablenkung nicht verwendet werden. Nach dem Electron Beam Melting (EBM) Verfahren ist in nachfolgenden Verfahrensschritten die fertige Ventilhülse vom Restpulver zu befreien und gegebenenfalls überflüssige Stützstrukturen zu entfernen. Weiterhin optional kann die fertige Zylinderhülse wärmebehandelt werden. Für eine abschließende Bearbeitung, insbesondere für die Ausbildung des Schließelementsitzes, der mit dem Schließelement den Injektor gas- und flüssigkeitsdicht verschließt, können abtragende Verfahren, beispielsweise Schleifen, Hohnen, Drehen oder dergleichen, verwendet werden.In addition, it has proven to be particularly beneficial if the injector head using the Electron Beam Melting (EBM) method that too Electron beam melts is called, is worked on the cylinder sleeve. The Electron Beam Melting (EBM) process is a powder bed-based process in which a metal powder is melted in a vacuum by means of an electron beam. This process takes place at a high process temperature and may require support structures depending on the geometry of the injector head. Due to the inertia-free beam deflection (multi-beam strategy), mergers can be generated in parallel and thus the build-up rates of the injector head or several injector heads can be increased, whereby the production times can be significantly reduced. The starting material for the injector head is preferably a spherical powder having a particle size of preferably 45-105 microns to use. The source material for the injector head must be made of an electrically conductive, weldable metallic material, but magnetic materials should not be used due to possible beam deflection. After the Electron Beam Melting (EBM) process, the finished valve sleeve must be freed from the residual powder in subsequent process steps and, if necessary, superfluous support structures removed. Furthermore, optionally, the finished cylinder sleeve can be heat treated. For a final processing, in particular for the formation of the closing element seat gas-tight and liquid-tight with the closing element closes the injector, erosive methods, such as grinding, hoisting, turning or the like, can be used.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann der Injektorkopf mit dem Selectiv Laser Melting (SLM) Verfahren, auch als Direct Metall Laser Sintering (DMLS), Laser Beam Melting (LBM), Laser Cusing oder Lasersintern bekannt, auf die Zylinderhülse aufgetragen werden. Das Selectiv Laser Melting (SLM) Verfahren ist ein pulverbettbasiertes Verfahren, bei dem die Bauteile schichtweise aufgebaut werden. Das Pulver wird schichtweise durch ein Rakel aufgetragen und anschließend lokal mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Der Prozess wird unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt und hat eine Prozesstemperatur von bevorzugt 200-500 °C. Abhängig von der Geometrie des Injektorkopfes können Stützstrukturen für das Selectiv Laser Melting (SLM) Verfahren erforderlich sein. Als Ausgangsstoff für den Injektorkopf sind schweißbare metallische Werkstoffe als sphärisches Pulver mit einer Korngröße von bevorzugt 10-45 µm verwendbar. Hierzu zählen insbesondere Nickelbasislegierungen, Werkzeugstähle, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und dergleichen. Nach dem Selectiv Laser Melting Verfahren sind zunächst die Pulverreste von der Ventilhülse zu beseitigen, gegebenenfalls überflüssige Stützstrukturen zu entfernen und eine Wärmebehandlung durchzuführen. Eine weitere Bearbeitung/Finish, insbesondere der Funktionsflächen, kann ohne weiteres mittels herkömmlicher Fertigungsverfahren durchgeführt werden. Das Selectiv Laser Melting Verfahren hat gegenüber dem Elektron Beam Melting Verfahren den Vorteil, dass auch magnetische Werkstoffe unkritisch zu verarbeiten sind. Das Selectiv Laser Melting weist eine hohe Maßgenauigkeit von ± 50 µm und eine vergleichsweise gute Oberflächengüte mit Rz ca. 30-50 µm auf.According to a further advantageous embodiment, the injector head can be applied to the cylinder sleeve using the Selectiv Laser Melting (SLM) method, also known as Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Laser Beam Melting (LBM), laser cusing or laser sintering. The Selectiv Laser Melting (SLM) process is a powder bed based process where the components are built up in layers. The powder is applied in layers by a doctor blade and then melted locally by means of a laser. The process is carried out under a protective gas atmosphere and has a process temperature of preferably 200-500 ° C. Depending on the geometry of the injector head, support structures may be required for the Selectiv Laser Melting (SLM) process. As starting material for the injector head weldable metallic materials are used as a spherical powder having a particle size of preferably 10-45 microns. These include, in particular, nickel-base alloys, tool steels, aluminum alloys, titanium alloys and the like. After the Selectiv Laser Melting process, the powder residues must first be removed from the valve sleeve, any superfluous support structures removed and a heat treatment carried out. Further processing / finishing, in particular of the functional surfaces, can easily be carried out by means of conventional production methods. The Selectiv Laser Melting process has the advantage over the electron beam melting process that even magnetic materials can be processed uncritically. The Selectiv Laser Melting has a high dimensional accuracy of ± 50 μm and a comparatively good surface quality with Rz approx. 30-50 μm.

Vorzugsweise ist die Zylinderhülse ein rotationssymmetrisches Drehteil, das aus einem schweißbaren und metallischen Werkstoff hergestellt ist. Die Zylinderhülse ist ein einfaches und in hoher Stückzahl kostengünstig herstellbares Bauteil. Die Zylinderhülse kann nach dem Fertigungsprozess beispielsweise durch ein geeignetes Reinigungsverfahren für das additive Hinzufügen des Injektorkopfs gereinigt werden und in eine für das additive Fertigungsverfahren geeignete Vorrichtung eingespannt werden. Auf die Zylinderhülse wird sodann der Injektorkopf aufgearbeitet, wobei der Injektorkopf nur einen geringen Anteil der gesamten Ventilhülse bildet. Typischerweise beträgt die Masse der Zylinderhülse ca. 70 % der Masse der gesamten Ventilhülse. Höhere Massenanteile sind jedoch vorteilhaft, um weitere Kostenvorteile zu erreichen. Die Zylinderhülse kann bevorzugt auch eine oder mehrere Stufen aufweisen.Preferably, the cylinder sleeve is a rotationally symmetrical rotary part, which is made of a weldable and metallic material. The cylinder sleeve is a simple and inexpensive to produce in high volume component. The cylinder sleeve can be cleaned after the manufacturing process, for example, by a suitable cleaning method for the additive addition of the injector head and clamped in a suitable device for the additive manufacturing process. On the cylinder sleeve of the injector head is then worked up, the injector head forms only a small proportion of the entire valve sleeve. Typically, the mass of the cylinder sleeve is about 70% of the mass of the entire valve sleeve. However, higher mass fractions are advantageous in order to achieve further cost advantages. The cylinder sleeve may preferably also have one or more stages.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung umfasst ein Injektor, insbesondere ein Kraftstoffinjektor, eine Ventilhülse, die aus einer Zylinderhülse und einem Injektorkopf gebildet ist, wobei der Injektorkopf additiv an die Zylinderhülse angearbeitet ist. Der Injektor kann somit durch eine kostengünstig zu fertigende Ventilhülse vielseitig und individualisiert eingesetzt werden.According to a further advantageous embodiment, an injector, in particular a fuel injector, comprises a valve sleeve, which is formed from a cylinder sleeve and an injector head, wherein the injector head is additively worked on to the cylinder sleeve. The injector can thus be used versatile and individualized by a cost-effective valve sleeve to be manufactured.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Ventilhülse in mindestens zwei Verfahrensschritten hergestellt werden. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Zylinderhülse als kostengünstiges Drehteil zur Verfügung gestellt und in einem zweiten Verfahrensschritt wird der Injektorkopf mittels eines additiven Verfahrens auf die Zylinderhülse angearbeitet.According to a further advantageous embodiment, the valve sleeve can be produced in at least two steps. In a first method step, the cylinder sleeve is provided as an inexpensive rotary part available and in a second method step, the injector head is worked by means of an additive method to the cylinder sleeve.

Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, wenn die Zylinderhülse vor dem additiven Verfahren gereinigt wird, so dass Verunreinigungen, beispielsweise Fette, Öle, Späne oder dergleichen, entfernt sind.Moreover, it is particularly advantageous if the cylinder sleeve is cleaned prior to the additive process, so that impurities, such as fats, oils, chips or the like, are removed.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine geschnittene Ansicht eines Injektors zum Einspritzen eines Mediums mit einer erfindungsgemäßen Ventilhülse,
2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Ventilhülse gemäß 1,
3 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der Ventilhülse gemäß 2 entlang der Schnittlinie Y-Y, und
4 eine vergrößerte Darstellung der Ventilhülse im einbaufertigen Zustand für einen Injektor.

Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 a sectional view of an injector for injecting a medium with a valve sleeve according to the invention,
2 an enlarged schematic sectional view of the valve sleeve according to the invention 1 .
3 a schematic, enlarged partial sectional view of the valve sleeve according to 2 along the section line YY, and
4 an enlarged view of the valve sleeve in the ready-to-install state for an injector.

Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Injektor und eine Ventilhülse gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.The following are with reference to the 1 to 4 an injector and a valve sleeve according to a first preferred embodiment of the invention described in detail.

1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Injektor 1 mit einer erfindungsgemäßen Ventilhülse 3. Der Injektor 1 umfasst unter anderem einen durch die Ventilhülse 3 und ein Injektorgehäuse 4 umschlossenen Druckraum 5, in dem ein Schließelement 6 entlang einer Längsachse X-X durch einen Aktor 60 verschiebbar angeordnet ist. Der Druckraum 5 ist durch einen nicht dargestellten Hochdruckkanal z.B. mit einem Speicher verbunden und durch diesen mit einem Medium 8 unter einem sehr hohen Druck von bis zu 350 × 10⁵ Pa gefüllt. Durch die Bewegung des Schließelementes 6 entlang der Längsachse X-X wirkt das Schließelement 6 mit einem in der Ventilhülse 3 ausgebildeten Schließelementsitz 13 zusammen und öffnet und schließt ein Spritzloch 15. Die 1 und 2 zeigen dabei den geschlossenen Zustand des Injektors 1. 1 shows a longitudinal section through an injector 1 with a valve sleeve according to the invention 3 , The injector 1 includes, inter alia, a through the valve sleeve 3 and an injector housing 4 enclosed pressure chamber 5 in which a closing element 6 along a longitudinal axis XX through an actuator 60 slidably arranged. The pressure room 5 is connected by a high-pressure channel, not shown, for example, with a memory and by this with a medium 8th filled under a very high pressure of up to 350 × 10 ⁵ Pa. By the movement of the closing element 6 along the longitudinal axis XX acts the closing element 6 with one in the valve sleeve 3 trained closing element seat 13 together and opens and closes a spray hole 15 , The 1 and 2 show the closed state of the injector 1 ,

Der Injektor 1 ist ein sich nach innen öffnender Injektor 1, wobei die Öffnungsrichtung entgegen einer Ausströmrichtung A aus dem Injektor 1 ist.The injector 1 is an inward opening injector 1 , wherein the opening direction against an outflow direction A from the injector 1 is.

Der Aktor 60 ist ein Magnet-Aktor und umfasst einen Anker 61 und eine Spule 62. Durch das Zusammenwirken des Aktors 60 und des Ankers 61 ist das Schließelement 6 entlang der Längsachse X-X bewegbar. Das Schließelement 6 ist als Ventilnadel mit einer Ventilkugel 50 und einem Anschlag 55 ausgebildet. Ein Rückstellelement 66 ist an dem Anschlag 55 des Schließelementes 6 abgestützt und hält dieses in der in den 1 und 2 gezeigten geschlossenen Stellung. Der Aktor 60 kann ebenfalls als ein Piezosteller ausgebildet sein.The actor 60 is a magnetic actuator and includes an armature 61 and a coil 62 , Through the interaction of the actor 60 and the anchor 61 is the closing element 6 along the longitudinal axis XX movable. The closing element 6 is as a valve needle with a valve ball 50 and a stop 55 educated. A reset element 66 is at the stop 55 of the closing element 6 supported and keeps this in the in the 1 and 2 shown closed position. The actor 60 can also be designed as a piezo actuator.

Die Funktion des Injektors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei wie folgt: Wenn ein Öffnungsvorgang eingeleitet wird, wird eine Aktorkraft durch den Aktor 60 auf den Anker 61 ausgeübt, so dass der Anker 61 zusammen mit dem Schließelement 6 entlang der Längsachse X-X entgegen der Ausströmrichtung A bewegt wird. Sobald das Spritzloch 15 durch das Schließelement 6 bei einem Öffnungsvorgang freigegeben ist, strömt das unter Druck stehende Medium 8 aus dem Druckraum 5 durch das Spritzloch 15 in Form eines Sprays in einen Raum 2, beispielsweise einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Medium 8 kann ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium sein.The function of the injector 1 according to the first embodiment is as follows: When an opening operation is initiated, an actuator force by the actuator 60 on the anchor 61 exercised, leaving the anchor 61 together with the closing element 6 along the longitudinal axis XX against the outflow A is moved. Once the spray hole 15 through the closing element 6 is released in an opening process, the pressurized medium flows 8th from the pressure room 5 through the spray hole 15 in the form of a spray in a room 2 , For example, a combustion chamber of an internal combustion engine. The medium 8th may be a liquid or a gaseous medium.

Im Ruhezustand des Injektors 1, welcher in den 1 und 2 dargestellt ist, ist die Ventilkugel 50 durch die Federkraft des Rückstellelementes 66 gegen den Schließelementsitz 13 eines Injektorkopfes 11 gepresst, so dass ein Zuflussbereich 14 gas- und flüssigkeitsdicht von dem übrigen Druckraum 5 verschlossen bzw. getrennt ist. Hierzu ist die Form des Schließelementsitzes 6 an die Form der Ventilkugel 50 angepasst.At rest of the injector 1 , which in the 1 and 2 is shown, is the valve ball 50 by the spring force of the return element 66 against the closing element seat 13 an injector head 11 pressed, leaving an inflow area 14 gas and liquid tight from the rest of the pressure chamber 5 closed or separated. This is the shape of the closing element seat 6 to the shape of the valve ball 50 customized.

Die Ventilhülse 3 ist im Detail aus 2 ersichtlich und ist einstückig aus zwei Teilen ausgebildet und umfasst eine Zylinderhülse 10 und den Injektorkopf 11. Die Zylinderhülse 10 ist ein rotationssymmetrisches Drehteil aus einem schweißbaren metallischen Werkstoff. Der Injektorkopf 11 ist mittels eines additiven Verfahrens auf die Zylinderhülse 10 angearbeitet und umfasst entlang der Längsachse X-X in Ausströmrichtung A einen Zuleitungsbereich 12, den Schließelementsitz 13, den Zuflussbereich 14, das mindestens eine Spritzloch 15 und eine Vorstufe 16. Das Medium 8 strömt bei geöffneter Stellung des Injektors 1 aus dem Druckraum 5 durch den Zuleitungsbereich 12 und vorbei am Schließelementsitz 13 in den Zuflussbereich 14 und verlässt diesen durch das Spritzloch 15 in Richtung des Raums 2. Der Durchmesser der Vorstufe 16 ist deutlich größer bemessen als der Durchmesser des Spritzlochs 15, wobei die dargestellte Ausführung des Spritzlochs 15 ein Injektor 1 mit einer tiefen engen Vorstufe ist. Die Länge L2 der Vorstufe 16 in Ausströmrichtung A ist deutlich größer bemessen als die Länge L1 des Spritzlochs 15. Darüber hinaus beträgt das Verhältnis der Durchmesser der durchströmten Flächen der Vorstufe 16 und des Spritzlochs 15 ca. 2:1.The valve sleeve 3 is in detail 2 can be seen and is integrally formed from two parts and includes a cylinder sleeve 10 and the injector head 11 , The cylinder sleeve 10 is a rotationally symmetrical rotating part made of a weldable metallic material. The injector head 11 is by means of an additive method on the cylinder sleeve 10 worked and includes along the longitudinal axis XX in the outflow A A supply area 12 , the closing element seat 13 , the inflow area 14 that has at least one injection hole 15 and a preliminary stage 16 , The medium 8th flows when the injector is open 1 from the pressure room 5 through the supply area 12 and past the closing element seat 13 in the inflow area 14 and leaves it through the spray hole 15 in the direction of the room 2 , The diameter of the precursor 16 is significantly larger than the diameter of the injection hole 15 , wherein the illustrated embodiment of the injection hole 15 an injector 1 with a deep close precursor is. The length L2 of the preliminary stage 16 in the outflow direction A is dimensioned much larger than the length L1 of the injection hole 15 , In addition, the ratio of the diameter of the flow-through surfaces of the precursor 16 and the injection hole 15 about 2: 1.

3 zeigt einen Schnitt durch den Injektor 1 gemäß 2 entlang einer Ebene der Schnittlinie Y-Y. In den Injektorkopf 11 sind über den Umfang mehrere Durchflusstaschen 20, Durchflussbohrungen 21 und Stege 22 angeordnet. Die Durchflusstaschen 20 und Durchflussbohrungen 21 erhöhen den effektiv durchströmten Querschnitt in Richtung der Längsachse X-X des Injektors 1 im Bereich des Zuleitungsbereichs 12, so dass das Medium 8 durch diese Querschnittsvergrößerung möglichst schnell und druckverlustarm in den Zuflussbereich 14 und somit in das Spritzloch 15 strömen kann. 3 shows a section through the injector 1 according to 2 along a plane of the section line YY. In the injector head 11 are over the perimeter multiple flow pockets 20 , Flow holes 21 and footbridges 22 arranged. The flow-through bags 20 and flow holes 21 increase the effective flow cross-section in the direction of the longitudinal axis XX of the injector 1 in the area of the supply line 12 so that the medium 8th by this cross-sectional enlargement as quickly as possible and low pressure loss in the inflow area 14 and thus into the spray hole 15 can flow.

Die Durchflusstaschen 20 und Durchflussbohrungen 21 können hierzu in dem Injektorkopf 11 derart ausgebildet sein, dass ein oder mehrere Stege 22 gebildet sind. Die Stege 22 bilden eine Führungsfläche für die Ventilkugel 50 bzw. für das Schließelement 6 und stützen diese in radialer Richtung ab. Die Durchflusstaschen 20, Durchflussbohrungen 21 und Stege 22 erstrecken sich von dem Schließelementsitz 13 demnach entgegen der Ausströmrichtung A entlang der Längsachse X-X über mindestens einen gesamten Weg, den die Ventilkugel 50 beim Öffnen und Schließen des Injektors 1 durchläuft.The flow-through bags 20 and flow holes 21 can do this in the injector head 11 be formed such that one or more webs 22 are formed. The bridges 22 form a guide surface for the valve ball 50 or for the closing element 6 and support them in the radial direction. The flow-through bags 20 , Flow holes 21 and footbridges 22 extend from the closure member seat 13 accordingly counter to the outflow direction A along the longitudinal axis XX over at least one entire path, the valve ball 50 when opening and closing the injector 1 passes.

Die Spritzlöcher 15 sind über den Umfang entsprechend zu der Positionierung der Durchflusstaschen 20 bzw. der Durchflussbohrung 21 in dem Zuflussbereich 14 in den Injektorkopf 11 eingearbeitet und die Umfangspositionen der Durchflusstaschen 20 bzw. Durchflussbohrungen 21 und der Spritzlöcher 15 korrespondieren. Die Spritzlöcher 15 können jedoch auch unabhängig zu den Durchflusstaschen 20 und Durchflussbohrungen 21 positioniert sein.The spray holes 15 are about the circumference according to the positioning of the flow pockets 20 or the flow bore 21 in the inflow area 14 in the injector head 11 incorporated and the circumferential positions of the flow pockets 20 or flow holes 21 and the injection holes 15 correspond. The spray holes 15 However, they can also be independent of the flow pockets 20 and flow holes 21 be positioned.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Ventilhülse 3 erfolgt dabei in mindestens zwei Verfahrensschritten. Zuerst wird die Zylinderhülse 10 als ein symmetrisches Drehteil hergestellt und in einem zweiten Verfahrensschritt wird der Injektorkopf 11 mittels eines additiven Verfahrens auf die Zylinderhülse 10 angefügt. Der Bereich zwischen dem Injektorkopf 11 und der Zylinderhülse 10 ist ein Übergangsbereich 9. In dem Übergangsbereich 9 sind beim Auftragen des Injektorkopfes 11 geringfügige Mengen des Materials der Zylinderhülse 10 aufgeschmolzen, damit ein Stoffschluss zwischen der Zylinderhülse 10 und dem Injektorkopf 11 entsteht.The production of the valve sleeve according to the invention 3 takes place in at least two steps. First, the cylinder sleeve 10 is manufactured as a symmetrical rotary member and in a second process step, the injector head 11 by means of an additive process on the cylinder sleeve 10 added. The area between the injector head 11 and the cylinder sleeve 10 is a transition area 9 , In the transition area 9 are when applying the injector head 11 small amounts of the material of the cylinder sleeve 10 melted, thus a material connection between the cylinder sleeve 10 and the injector head 11 arises.

Die Zylinderhülse 10 ist aus einem schweißbaren, metallischen Werkstoff hergestellt und kann vor dem zweiten Verfahrensschritt gereinigt werden. Bei der Reinigung der Zylinderhülse 10 werden mögliche Verunreinigungen, beispielsweise Kühlmittelrückstände, Öle, Fette, Späne oder dergleichen entfernt. Das Entfernen der Verunreinigungen kann auch nur bereichsweise erfolgen. Die Zylinderhülse 10 wird im Anschluss für das additive Fertigungsverfahren auf eine geeignete Vorrichtung gespannt. Hierzu kann beispielsweise ein Hydrodehnspannfutter oder ein Mehrfach-Spannfutter, das aus zwei Halbschalen gebildet ist, verwendet werden.The cylinder sleeve 10 is made of a weldable, metallic material and can be cleaned before the second process step. When cleaning the cylinder sleeve 10 Possible impurities, such as coolant residues, oils, fats, chips or the like are removed. The removal of impurities can also be done only in areas. The cylinder sleeve 10 is then stretched for a suitable device for the additive manufacturing process. For this purpose, for example, a hydraulic chuck or a multi-chuck, which is formed from two half-shells, can be used.

Als additive Verfahren ist das Laser Selektiv Melting (SLM) Verfahren oder das Electron Beam Melting (EBM) Verfahren angewendet.As an additive method, the Laser Selective Melting (SLM) method or the Electron Beam Melting (EBM) method is used.

Das Electron Beam Melting (EBM) Verfahren ist ein pulverbettbasiertes Verfahren, bei dem mittels eines Elektronenstrahls im Vakuum Metallpulver auf die Zylinderhülse 10 Schritt für Schritt in der Längsachse X-X aufgeschmolzen wird. Durch eine trägheitsfreie Strahlablenkung - bei der sogenannten Multi Beam Strategie - können parallel mehrere Schmelzzonen erzeugt werden, wodurch auch mehrere Ventilhülsen 3 gleichzeitig hergestellt werden können. Alternativ können mehrere Elektronenstrahlen einen Injektorkopf 11 auf eine Zylinderhülse 10 aufbringen. Bei dem Electron Beam Melting (EBM) Verfahren besteht das Pulverbett aus einem sphärischen Pulver mit einer Korngröße von 45-105 µm. Vorteilhaft für dieses Verfahren ist, wenn die Zylinderhülse 10 und das Metallpulver aus einem nicht-magnetischen Werkstoff sind, da magnetische Werkstoffe die Elektronenstrahlen ablenken.The Electron Beam Melting (EBM) process is a powder bed-based process in which metal powder is applied to the cylinder sleeve by means of an electron beam in a vacuum 10 Step by step in the longitudinal axis XX is melted. By a non-inertial beam deflection - in the so-called multi-beam strategy - multiple melt zones can be generated in parallel, which also several valve sleeves 3 can be produced simultaneously. Alternatively, multiple electron beams may have an injector head 11 on a cylinder sleeve 10 muster. In the Electron Beam Melting (EBM) process, the powder bed consists of a spherical powder with a grain size of 45-105 μm. An advantage of this method is when the cylinder sleeve 10 and the metal powder are of a non-magnetic material because magnetic materials deflect the electron beams.

Alternativ zu dem Electron Beam Melting (EBM) Verfahren kann das Selektiv Laser Melting (SLM) Verfahren angewendet werden, dass ebenso ein pulverbettbasiertes Verfahren ist, bei dem der Injektorkopf 11 auf die Zylinderhülse 10 schichtweise in Richtung der Längsachse X-X durch ein Rakel aufgetragen und anschließend lokal mittels eines Lasers aufgeschmolzen ist. Dieser Prozess findet unter einer Schutzgasatmosphäre statt. Das sphärische Pulver, das das Pulverbett bildet, weist typischerweise eine Korngröße von 10-45 µm auf. Als Werkstoffe eigen sich vorzugsweise Nickelbasislegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen oder herkömmliche Werkzeugstähle.As an alternative to the Electron Beam Melting (EBM) method, the Selective Laser Melting (SLM) method can be used, which is also a powder bed based method in which the injector head 11 on the cylinder sleeve 10 layer by layer in the direction of the longitudinal axis XX applied by a doctor blade and then melted locally by means of a laser. This process takes place under a protective gas atmosphere. The spherical powder forming the powder bed typically has a particle size of 10-45 μm. Preferred materials are nickel-base alloys, aluminum alloys, titanium alloys or conventional tool steels.

Die Aufbauraten des Injektorkopfes 11 auf der Zylinderhülse 10 sind abhängig von der Wahl des Werkstoffes des Injektorkopfes 11. Die Aufbauraten bei den additiven Verfahren werden typischerweise als Volumen pro Zeit angegeben und betragen beispielsweise zwischen 1 bis 50 cm³/h. Um den Fertigungsprozess somit möglichst kostengünstig und effektiv zu gestalten, ist der Injektorkopf 11 im Verhältnis zu der Zylinderhülse 10 volumenmäßig kleiner ausgestaltet. Auch können in den Injektorkopf 11 Hohlräume vorgesehen werden, um den Fertigungsprozess besonders effektiv zu gestalten.The buildup rates of the injector head 11 on the cylinder sleeve 10 are dependent on the choice of the material of the injector head 11 , The build-up rates in the additive processes are typically given as volume per time and are for example between 1 to 50 cm ³ / h. In order to make the manufacturing process as cost effective and effective as possible, is the injector head 11 in relation to the cylinder sleeve 10 made smaller in volume. Also, in the injector head 11 Cavities are provided to make the manufacturing process particularly effective.

Im Anschluss an das additive Fertigungsverfahren wird die Ventilhülse 3 aus der Spannvorrichtung entnommen und das Restpulver wird von der Ventilhülse 3 strahltechnisch entfernt.Following the additive manufacturing process, the valve sleeve 3 removed from the jig and the residual powder is from the valve sleeve 3 radically removed.

Insbesondere die Funktionsflächen der Ventilhülse 3 sind in einem letzten Arbeitsschritt fertigzustellen. Es hat sich herausgestellt, dass die additiven Verfahren eine Oberflächengüte von Rz ca. 30-150 µm und eine Maßgenauigkeit von bis zu ± 0,25 mm aufweisen, so dass es sich bevorzugt anbietet, die Funktionsflächen, insbesondere den Schließelementsitz 13, in einem letzten Fertigungsschritt nachzubearbeiten, damit der Injektor 1 absolut gas- und flüssigkeitsdicht durch das Zusammenwirken von dem Schließelement 6 und dem Schließelementsitz 13 verschlossen ist.In particular, the functional surfaces of the valve sleeve 3 are finished in a final step. It has been found that the additive methods have a surface quality of Rz about 30-150 microns and a dimensional accuracy of up to ± 0.25 mm, so that it is preferable, the functional surfaces, in particular the closing element seat 13 to post-process in a final manufacturing step so that the injector 1 absolutely gas- and liquid-tight due to the interaction of the closing element 6 and the closure member seat 13 is closed.

Insbesondere 4 ist eine Ventilhülse 3 zu entnehmen, die erfindungsgemäß gefertigt wurde und eine komplexe Geometrie aufweist. Für eine optimale Strahlaufbereitung des Mediums 8 sind in dem Injektorkopf 11 mehrere über den Umfang verteilte Durchflusstaschen 20 und gekrümmte Spritzlöcher 15 ausgebildet. Die Spritzlöcher 15 weisen folglich entlang der Längsachse X-X einen gebogenen Strömungskanal auf, dessen Querschnitt rund, elliptisch und/oder mehreckig sein kann. Especially 4 is a valve sleeve 3 to be taken, which was manufactured according to the invention and has a complex geometry. For optimal jet preparation of the medium 8th are in the injector head 11 several flow-through pockets distributed over the circumference 20 and curved spray holes 15 educated. The spray holes 15 Consequently, along the longitudinal axis XX have a curved flow channel whose cross-section may be round, elliptical and / or polygonal.

Die erfindungsgemäße Ventilhülse 3 kann sowohl für einen nach innen als auch einen nach außen öffnenden Injektor 1 verwendet werden.The valve sleeve according to the invention 3 can be used both for an inward and an outward opening injector 1 be used.

Somit kann erfindungsgemäß eine Ventilhülse 3 bereitgestellt werden, deren Injektorkopf 11 komplexe und individuell einstellbare Geometrien aufweisen kann, die gleichzeitig kostengünstig und serientauglich herstellbar sind. Dadurch ist eine bestmögliche Strahl Auffächerung, bei einem Höchstmaß von Spray-Targeting und optimaler Penetration ermöglicht.Thus, according to the invention, a valve sleeve 3 be provided, the injector head 11 can have complex and individually adjustable geometries, which are simultaneously inexpensive and suitable for series production. This allows for the best possible beam fanning, with the utmost in spray targeting and optimal penetration.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013220836 A1 [0002]

Claims

Valve sleeve (3) of an injector (1) for injecting a medium (8), in particular for injecting a fuel, comprising: at least one cylinder sleeve (10) and an injector head (11), - Wherein the injector head (11) has a closing element seat (13) and at least one injection hole (15), and - Wherein the injector head (11) is firmly bonded to the cylinder sleeve (10) by means of an additive method.

Valve sleeve (3) after Claim 1 , characterized in that in the injector head (10) a supply line (12) with at least one flow pocket (20) and / or a flow bore (21) is arranged.

Valve sleeve (3) after Claim 2 , characterized in that the supply line (12) has at least one web (22) for supporting a closing element (6).

Valve sleeve (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one spray hole (15) has a cylindrical or curved flow channel.

Valve sleeve (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the injector head (11) has at least one precursor (16) into which at least one of the injection holes (15) opens.

Valve sleeve (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the injector head (11) by means of an electron beam melting (EBM) method is made of a metallic, electrically conductive and weldable material, or that the injector head by a selective laser melting ( SLM) method is made of a metallic and weldable material.

Valve sleeve (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder sleeve (10) is a rotationally symmetrical rotary part made of a weldable metallic material.

Injector (1), in particular a fuel injector, comprising a valve sleeve (3) according to one of the preceding claims.

Method for producing a valve sleeve (3) of an injector (1), in particular a fuel injector, comprising: - Providing a cylinder sleeve (10) formed from a rotationally symmetrical rotary part, and - Working an injector head (11) with at least one injection hole (15) and a closing element seat (13) to the cylinder sleeve (10) by means of an additive method.

Method according to Claim 9 , characterized in that the additive method is Selective Laser Melting (SLM) or Electron Beam Melting (EBM).