DE102019220186A1

DE102019220186A1 - Process for the production of injection openings of an injector and injector

Info

Publication number: DE102019220186A1
Application number: DE102019220186.5A
Authority: DE
Inventors: Kai Gartung; Franziska Bauer; Andreas Michalowski; Alexander Kroschel; Stephanie Karg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einspritzöffnungen (2) eines Injektors (1) und einen Injektor. Das Verfahren umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte: Herstellen einer Vorstufe (3), Bohren eines Einspritzlochs (5) in einen Vorstufenboden (4) der Vorstufe (3), und Nachbearbeiten des Vorstufenbodens (4), wobei das Bohren des Einspritzlochs (5) und das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens (4) mittels Laserabtrag durchgeführt werden.The present invention relates to a method for producing injection openings (2) of an injector (1) and an injector. The method comprises the following steps: producing a preliminary stage (3), drilling an injection hole (5) in a preliminary stage base (4) of the preliminary stage (3), and reworking the preliminary stage base (4), wherein the drilling of the injection hole (5) and the Post-processing of the preliminary stage floor (4) can be carried out by means of laser ablation.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einspritzöffnungen eines Injektors sowie einen Injektor.The present invention relates to a method for producing injection openings of an injector and an injector.

Injektoren zum Einspritzen eines Fluids sind beispielsweise als Kraftstoffinjektoren aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Häufig weisen solche Injektoren, insbesondere bei direkteinspritzenden Systemen in der Anwendung in Verbrennungskraftmaschinen, Spritzlöcher mit einer Vorstufe auf. Beispielsweise ist aus der DE 10 2014 206 782 A1 ein solcher Injektor mit Spritzloch mit Vorstufe bekannt. Wie darin beschrieben, werden die Spritzlöcher häufig mittels eines Laserprozesses gefertigt. Eine hochpräzise Fertigung der Spritzlöcher ist dabei maßgeblich für ein gleichmäßig gutes Verbrennungs- und Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschinen verantwortlich. Insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen können jedoch die hohen Anforderungen an die Fertigungspräzision mit den bekannten Fertigungsmethoden häufig nicht zufriedenstellend erfüllt werden.Injectors for injecting a fluid are known, for example, as fuel injectors from the prior art in different configurations. Such injectors, especially in direct injection systems used in internal combustion engines, often have injection holes with a preliminary stage. For example, from the DE 10 2014 206 782 A1 such an injector with a spray hole with a preliminary stage is known. As described therein, the injection holes are often made using a laser process. A high-precision production of the spray holes is largely responsible for a consistently good combustion and emission behavior of the internal combustion engines. In particular, due to manufacturing tolerances, however, the high demands on manufacturing precision can often not be met satisfactorily with the known manufacturing methods.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Einspritzöffnungen eines Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber die Möglichkeit einer besonders exakten Herstellung der Einspritzöffnungen eines Injektors mit geringsten Toleranzen. Das Verfahren ist zudem besonders einfach und zeiteffizient durchführbar, wodurch sich insbesondere auch niedrige Herstellungskosten des Injektors realisieren lassen. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Verfahren, welches die nacheinander durchgeführten Schritte umfasst:

- Herstellen einer Vorstufe,
- Bohren eines Einspritzlochs in einen Vorstufenboden der Vorstufe, und
- Nachbearbeiten des Vorstufenbodens.

Dabei erfolgen das Bohren des Einspritzlochs sowie das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens mittels Laserabtrag. Die Vorstufe kann vorzugsweise mechanisch und/oder mittels Laserabtrag hergestellt werden.In contrast, the method according to the invention for producing injection openings of an injector with the features of claim 1 offers the possibility of particularly precise production of the injection openings of an injector with the lowest tolerances. The method can also be carried out in a particularly simple and time-efficient manner, as a result of which, in particular, low production costs for the injector can also be achieved. According to the invention, this is achieved by a method which comprises the steps carried out one after the other:

- production of a preliminary stage,
- Drilling an injection hole in a preliminary stage floor of the preliminary stage, and
- Post-processing of the preliminary stage floor.

The drilling of the injection hole and the post-processing of the preliminary stage floor are carried out by means of laser ablation. The preliminary stage can preferably be produced mechanically and / or by means of laser ablation.

In anderen Worten wird zum Herstellen der Einspritzöffnungen zuerst die Vorstufe erzeugt, welche beispielsweise als sacklochartige Vertiefung vorgesehen ist. Anschließend wird das Einspritzloch, insbesondere als Durchgangsloch, durch Laserabtrag in den Vorstufenboden gebohrt. Das Einspritzloch weist dabei eine kleinere Querschnittsfläche als die Vorstufe auf. Der Differenzquerschnitt, also die verbleibende, beispielsweise kreisringförmige, Fläche des Vorstufenbodens, wird nachfolgend ebenfalls mittels Laserabtrag nachbearbeitet. Hierbei erfolgt beim Nachbearbeiten ein geringfügiger Materialabtrag am Vorstufenboden, um eine besonders gute Oberflächenqualität und vor allem eine präzise Geometrie am Übergang zwischen Vorstufenboden und Einspritzloch zu erhalten. Dadurch können beispielsweise beim Laser-Bohren des Einspritzlochs prozessbedingt auftretende Fertigungstoleranzen an diesem Übergang signifikant reduziert werden.In other words, to produce the injection openings, the preliminary stage is first produced, which is provided, for example, as a blind hole-like depression. The injection hole, in particular as a through hole, is then drilled into the preliminary stage base by laser ablation. The injection hole has a smaller cross-sectional area than the preliminary stage. The differential cross-section, that is to say the remaining, for example circular, surface of the preliminary stage floor is subsequently also post-processed by means of laser ablation. During reworking, a slight amount of material is removed from the preliminary stage floor in order to obtain a particularly good surface quality and, above all, a precise geometry at the transition between the preliminary stage floor and the injection hole. In this way, for example, when laser drilling the injection hole, process-related manufacturing tolerances at this transition can be significantly reduced.

Das Einspritzloch und/oder die Vorstufe können dabei verschiedenste Querschnittsformen aufweisen. Besonders günstig ist es, wenn Einspritzloch und Vorstufe jeweils einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Alternativ ist es vorteilhaft, wenn Einspritzloch und/oder Vorstufe einen elliptischen Querschnitt aufweisen.The injection hole and / or the preliminary stage can have a wide variety of cross-sectional shapes. It is particularly favorable if the injection hole and the preliminary stage each have a circular cross section. Alternatively, it is advantageous if the injection hole and / or preliminary stage have an elliptical cross section.

Besonders günstig ist es, wenn der Laser für das Bohren des Einspritzlochs auf einer Kreisbahn geführt wird, und wenn der Laser für das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens auf einer beliebigen Bahn geführt wird. Beispielsweise kann der Laserspot bzw. Laserstrahl für das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens mäanderförmig geführt werden. Insbesondere ist es günstig, wenn die Führung des Laserspots bzw. Laserstrahls für das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens speziell auf die Oberflächengeometrie des Vorstufenbodens angepasst ist, um einen möglichst glatten Vorstufenboden und einen optimierten Übergang zum Einspritzloch zu erhalten. Neben der Führung des Laserstrahls kann vorzugsweise auch eine Anpassung weiterer Parameter, wie beispielsweise Leistung, Spotgröße und/oder Repetitionsrate erfolgen für eine weitere Optimierung des Verfahrens.It is particularly favorable if the laser is guided on a circular path for drilling the injection hole, and if the laser is guided on any path for reworking the preliminary stage floor. For example, the laser spot or laser beam can be guided in a meandering shape for reworking the preliminary stage floor. In particular, it is advantageous if the guidance of the laser spot or laser beam for reworking the preliminary stage floor is specially adapted to the surface geometry of the preliminary stage floor in order to obtain the smoothest possible preliminary stage floor and an optimized transition to the injection hole. In addition to guiding the laser beam, additional parameters, such as power, spot size and / or repetition rate, can preferably also be adapted for further optimization of the method.

Das Verfahren ermöglicht somit eine Erzeugung einer besonders präzisen Geometrie der Einspritzöffnung. Dies wirkt sich besonders günstig auf die strömungsmechanischen Eigenschaften und damit auf eine optimale Spraybildung aus.The method thus enables a particularly precise geometry of the injection opening to be generated. This has a particularly favorable effect on the fluid mechanical properties and thus on optimal spray formation.

Darüber hinaus bietet das Verfahren eine sehr kostengünstige Möglichkeit der Herstellung der hochpräzisen Einspritzöffnungen in dem Einspritzelement. Durch die Nachbehandlung kann beispielsweise ein einfaches und kostengünstiges Grundmaterial verwendet werden, da die Oberfläche in dem separaten Nachbearbeitungsschritt auf die hohe geforderte Qualität gebracht werden kann. Andererseits kann ein schneller, aber weniger präziser Herstellungsschritt der Vorstufe genutzt werden, da der Vorstufenboden in dem separaten Nachbearbeitungsschritt durch Laserabtrag auf die hohe geforderte Qualität gebracht werden kann.In addition, the method offers a very cost-effective way of producing the high-precision injection openings in the injection element. As a result of the post-treatment, a simple and inexpensive base material can be used, for example, since the surface can be brought to the high quality required in the separate post-processing step. On the other hand, a faster but less precise production step of the preliminary stage can be used, since the preliminary stage base can be brought to the required high quality in the separate post-processing step by laser ablation.

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

Bevorzugt wird beim Nachbearbeiten des Vorstufenbodens eine Kante am Übergang vom Vorstufenboden zum Einspritzloch erzeugt. In anderen Worten ist somit kein abgerundeter Übergang, sondern ein scharfkantiger Übergang vom Vorstufenboden zum Einspritzloch vorgesehen. Vorzugsweise wird dabei eine Kante mit einem radialen Kantenbruch von maximal 4 µm erzeugt. Als radialer Kantenbruch wird dabei, insbesondere gemäß ISO 1375:2000, eine in radialer Richtung gemessene Länge eines abgetragenen Bereichs an einer gratfreien Kante angesehen. Beispielsweise kann dies eine minimale Abrundung der Kante sein. Das Verfahren ermöglicht somit eine Erzeugung einer besonders scharfen Kante am Übergang zwischen Vorstufe und Einspritzloch. Dies wirkt sich weiter vorteilhaft auf die strömungsmechanischen Eigenschaften der Einspritzöffnung aus. Die scharfe Kante bewirkt eine beim Durchströmen der Einspritzöffnung insbesondere ein präzises Abreißen der Strömung genau an der Kante und damit eine optimale Spraybildung. Zudem werden aufgrund der besonders scharfen Kante, eine Verwirbelung des Sprays an der Kante vermieden und somit auch eine Verkokung am Übergang oder eine unvollständige Verbrennung und damit einhergehende hohe Emissionsbildung verhindert.When reworking the preliminary stage base, an edge is preferably produced at the transition from the preliminary stage base to the injection hole. In other words, there is no rounded transition, but a sharp-edged transition from the preliminary stage bottom to the injection hole. In this case, an edge with a radial edge break of a maximum of 4 μm is preferably produced. A radial edge break is here, in particular according to ISO 1375: 2000, a length measured in the radial direction of a removed area on a burr-free edge. For example, this can be a minimal rounding of the edge. The method thus enables a particularly sharp edge to be produced at the transition between the preliminary stage and the injection hole. This has a further advantageous effect on the fluid mechanical properties of the injection opening. When flowing through the injection opening, the sharp edge causes, in particular, a precise tear-off of the flow precisely at the edge and thus an optimal spray formation. In addition, due to the particularly sharp edge, swirling of the spray at the edge is avoided and thus coking at the transition or incomplete combustion and the associated high formation of emissions are prevented.

Besonders bevorzugt wird der Laserabtrag mittels eines Ultrakurzpulslasers durchgeführt. Insbesondere sendet der Ultrakurzpulslaser hierbei einen Laserstrahl in Form von gepulster Laserstrahlung aus, welche eingerichtet ist, den Materialabtrag zu bewirken. Eine Wellenlänge des Laserstrahls liegt bevorzugt im Infrarotbereich, insbesondere bei mindestens 1000nm und maximal 1100nm. Alternativ könnten vorzugsweise auch andere Wellenlängenbereiche genutzt werden, besonders bevorzugt mindestens 500nm bis maximal 600nm. Beispielsweise ist es günstig, wenn der Ultrakurzpulslaser den Laserstrahl mit einer Frequenz von mindestens 50kHz und maximal 2GHz erzeugt. Insbesondere beim Bohren der Einspritzöffnung mittels Ultrakurzpulslaser entsteht am Übergang zum Vorstufenboden eine verrundete Kante. Weiterhin können durch die mechanische und/oder lasergestützte Erzeugung der Vorstufe angrenzend an die Bohrung, also im Vorstufenboden, reliefartige Erhöhungen und/oder Vertiefungen entstehen. Durch den vorteilhafterweise genau auf diese Erhöhungen und/oder Vertiefungen angepassten Schritt des Nachbearbeitens des Vorstufenbodens können diese gezielt entfernt werden, um einen glatten Vorstufenboden und insbesondere eine exakte, scharfe Kante am Übergang zum Einspritzloch zu erzeugen. Durch den Ultrakurzpulslaser können somit sowohl die Herstellung der Einspritzöffnungen als auch das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens in kurzer Zeit und mit sehr hoher Präzision durchgeführt werden.The laser ablation is particularly preferably carried out by means of an ultrashort pulse laser. In particular, the ultrashort pulse laser emits a laser beam in the form of pulsed laser radiation, which is set up to cause the material to be removed. A wavelength of the laser beam is preferably in the infrared range, in particular at least 1000 nm and a maximum of 1100 nm. Alternatively, other wavelength ranges could preferably also be used, particularly preferably at least 500 nm to a maximum of 600 nm. For example, it is favorable if the ultra-short pulse laser generates the laser beam with a frequency of at least 50 kHz and a maximum of 2 GHz. In particular, when drilling the injection opening with an ultra-short pulse laser, a rounded edge is created at the transition to the preliminary stage floor. Furthermore, the mechanical and / or laser-assisted production of the preliminary stage can result in relief-like elevations and / or depressions adjacent to the bore, that is to say in the preliminary stage floor. As a result of the step of reworking the pre-stage base, which is advantageously precisely adapted to these elevations and / or depressions, these can be removed in a targeted manner in order to produce a smooth pre-stage base and in particular an exact, sharp edge at the transition to the injection hole. With the ultrashort pulse laser, both the production of the injection openings and the reworking of the preliminary stage bottom can be carried out in a short time and with very high precision.

Weiter bevorzugt erfolgen das Bohren des Einspritzlochs und das Bearbeiten des Vorstufenbodens in einer einzigen Aufspannung. Vorzugsweise werden beide Verfahrensschritte mittels desselben Lasers und besonders bevorzugt unmittelbar nacheinander durchgeführt. Das heißt, eine Positionierung des Bauteils, in welchem die Einspritzöffnungen erzeugt werden, wird während der Durchführung dieser beiden Schritte nicht geändert. Somit können die Einspritzöffnungen auf einfache Art und Weise in besonders kurzer Zeit hergestellt werden. Da ein Umspannen oder ein Wechsel der Bearbeitungsmaschine nicht erforderlich ist, können die Einspritzöffnungen mit besonders geringem Umbau- und Installationsaufwand durch Nutzung der selben Systemtechnik hergestellt werden.More preferably, the drilling of the injection hole and the machining of the preliminary stage floor take place in a single clamping. Both method steps are preferably carried out by means of the same laser and particularly preferably immediately one after the other. That is, a positioning of the component in which the injection openings are produced is not changed while these two steps are being carried out. The injection openings can thus be produced in a simple manner in a particularly short time. Since it is not necessary to reclamp or change the processing machine, the injection openings can be produced with particularly little conversion and installation effort by using the same system technology.

Vorzugsweise wird eine zweite Vorschubgeschwindigkeit eines Laserspots bzw. Laserstrahls zum Nachbearbeiten des Vorstufenbodens gegenüber einer ersten Vorschubgeschwindigkeit zum Bohren des Einspritzlochs erhöht. Bevorzugt wird die zweite Abtastgeschwindigkeit mindestens um einen Faktor 10, vorzugsweise mindestens um einen Faktor 30, und besonders bevorzugt maximal um einen Faktor 1000, gegenüber der ersten Vorschubgeschwindigkeit erhöht. Dadurch ist es besonders einfach und in kurzer Zeit möglich, nur einen geringen Materialabtrag am Vorstufenboden zu erzielen. Hierbei können beispielsweise die weiteren Laserparameter beim Übergang vom Bohren zum Nachbearbeiten unverändert bleiben, wodurch eine besonders einfache und zeitsparende Fertigung der Einspritzöffnungen ermöglicht wird.A second feed speed of a laser spot or laser beam for reworking the preliminary stage base is preferably increased compared to a first feed speed for drilling the injection hole. The second scanning speed is preferably increased by at least a factor of 10, preferably at least by a factor of 30, and particularly preferably by a maximum of a factor of 1000, compared to the first feed speed. This makes it particularly easy and possible in a short time to achieve only a small amount of material removal from the preliminary stage floor. Here, for example, the other laser parameters can remain unchanged during the transition from drilling to reworking, which enables particularly simple and time-saving production of the injection openings.

Besonders günstig ist es, wenn eine zweite Laserleistung zum Nachbearbeiten des Vorstufenbodens gegenüber einer ersten Laserleistung zum Bohren des Einspritzlochs verringert ist. Vorzugsweise ist die zweite Laserleistung dabei um mindestens 10 %, bevorzugt und maximal 80 %, und besonders bevorzugt 50 %, gegenüber der ersten Laserleistung verringert. Vorteilhafterweise können dabei die weiteren Laserparameter beim Bohren und Nachbearbeiten jeweils gleich bleiben. Dadurch ist es ebenfalls auf besonders einfache Art und Weise möglich, nur einen geringen Materialabtrag an Vorstufenboden zu erzielen, ohne aufwendige Änderungen der Systemtechnik vornehmen zu müssen. Alternativ ist jedoch auch möglich, neben der Verringerung der Laserleistung, eine zusätzliche Anpassung der weiteren Laserparameter möglich, um das Verfahren weiter zu optimieren.It is particularly favorable if a second laser power for reworking the preliminary stage base is reduced compared to a first laser power for drilling the injection hole. The second laser power is preferably reduced by at least 10%, preferably and a maximum of 80%, and particularly preferably 50%, compared to the first laser power. The other laser parameters can advantageously remain the same during drilling and post-processing. As a result, it is also possible in a particularly simple manner to achieve only a small amount of material removal from the preliminary stage floor without having to make complex changes to the system technology. As an alternative, however, in addition to reducing the laser power, it is also possible to additionally adapt the other laser parameters in order to further optimize the method.

Besonders bevorzugt ist ein zweiter Strahldurchmesser des Laserspots bzw. Laserstrahls zum Nachbearbeiten des Vorstufenbodens größer als ein erster Strahldurchmesser zum Bohren des Einspritzlochs, um weiterhin einen besonders gezielten Materialabtrag in kurzer Zeit zu ermöglichen.A second beam diameter of the laser spot or laser beam for reworking the preliminary stage floor is particularly preferably greater than one first beam diameter for drilling the injection hole in order to continue to enable particularly targeted material removal in a short time.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Herstellen der Vorstufe bis zu einer vorbestimmten Tiefe erfolgt, welche geringer als eine Zieltiefe ist. Das heißt, in dem ersten Schritt des Verfahrens, wird die Vorstufe geringfügig weniger tief gebohrt, als erzielt werden soll. Bevorzugt ist die vorbestimmte Tiefe, auf welchen die Vorstufe in diesem Schritt gebracht wird, um maximal 200 µm, vorzugsweise um maximal 100 µm, besonders bevorzugt um maximal 50 µm, geringer als die Zieltiefe. Besonders bevorzugt ist die vorbestimmte Tiefe um mindestens 1 % und maximal 10 %, besonders bevorzugt 5 % geringer als die Zieltiefe. Nach dem Bohren des Einspritzlochs wird die Vorstufe dann durch den Schritt des Nachbearbeitens auf die Zieltiefe gebracht. Dadurch kann für den Schritt des Herstellens der Vorstufe eine einfachere und zeiteffiziente Bearbeitungsmethode mit hohem Materialabtrag in kurzer Zeit verwendet werden, wobei durch den späteren Nachbearbeitungsschritt die gewünschte Geometrie der Vorstufe präzise hergestellt werden kann.Furthermore, it is advantageous if the preliminary stage is produced up to a predetermined depth, which is less than a target depth. That is, in the first step of the process, the preliminary stage is drilled slightly less deep than is intended to be achieved. The predetermined depth to which the preliminary stage is brought in this step is preferably a maximum of 200 μm, preferably a maximum of 100 μm, particularly preferably a maximum of 50 μm, less than the target depth. The predetermined depth is particularly preferably at least 1% and at most 10%, particularly preferably 5%, less than the target depth. After drilling the injection hole, the preliminary stage is then brought to the target depth by the step of post-processing. As a result, a simpler and time-efficient processing method with high material removal in a short time can be used for the step of producing the preliminary stage, with the desired geometry of the preliminary stage being able to be precisely produced by the subsequent post-processing step.

Vorzugsweise wird die Vorstufe mittels einer spanenden Bearbeitung hergestellt. Dadurch ist ein besonders großer Materialabtrag in kurzer Zeit möglich. Zudem kann ein sehr einfaches und kostengünstiges mechanisches Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Bohren, Fräsen, oder dergleichen verwendet werden.The preliminary stage is preferably produced by means of machining. This enables a particularly large amount of material to be removed in a short time. In addition, a very simple and inexpensive mechanical processing method, such as, for example, drilling, milling, or the like, can be used.

Besonders bevorzugt wird die Vorstufe ebenfalls mittels Laserabtrag hergestellt. Insbesondere kann hierfür ebenfalls ein Ultrakurzpulslaser verwendet werden. Dabei ist es besonders günstig, wenn für alle Verfahrensschritte, also das Herstellen der Vorstufe, das Bohren des Einspritzlochs und das nach Bearbeiten des Vorstufenbodens jeweils derselbe Ultrakurzpulslaser verwendet wird, und sämtliche Schritte in einer einzigen Aufspannung durchgeführt werden. Somit können die Einspritzöffnungen des Injektors besonders präzise und zeiteffizient und einfach hergestellt werden, da durch Nutzung derselben Systemtechnik für das gesamte Verfahren ein besonders geringer Umbau- und Installationsaufwand notwendig ist.The preliminary stage is particularly preferably also produced by means of laser ablation. In particular, an ultrashort pulse laser can also be used for this purpose. It is particularly advantageous if the same ultrashort pulse laser is used for all process steps, i.e. the production of the preliminary stage, the drilling of the injection hole and after machining the preliminary stage bottom, and all steps are carried out in a single setting. In this way, the injection openings of the injector can be produced in a particularly precise, time-efficient and simple manner, since the use of the same system technology for the entire process requires particularly little conversion and installation effort.

Besonders günstig ist es, wenn durch den Schritt des Nachbearbeitens eine Randvertiefung am Vorstufenboden entfernt wird. Solche Randvertiefungen können insbesondere beim Bohren sacklochartiger Vertiefungen mittels Laserabtrag entstehen. Beim Nachbearbeiten wird dabei vorzugsweise so viel Material an dem Vorstufenboden abgetragen, bis keine Randvertiefung mehr vorliegt, um eine besonders präzise Geometrie der Vorstufe zu erhalten. Zudem wird durch Entfernen der Randvertiefungen die mechanische Stabilität des Bauteils verbessert.It is particularly favorable if an edge depression on the preliminary stage floor is removed by the step of reworking. Such edge depressions can arise in particular when drilling blind hole-like depressions by means of laser ablation. During reworking, so much material is preferably removed from the preliminary stage bottom until there is no longer any edge indentation in order to obtain a particularly precise geometry of the preliminary stage. In addition, the mechanical stability of the component is improved by removing the edge depressions.

Bevorzugt wird das Einspritzloch durch den Schritt des Bohrens ausgehend von dem Vorstufenboden sich verjüngend ausgebildet, um eine einfache Fertigung sowie eine günstige Durchströmung zu ermöglichen. Besonders günstig ist es, wenn das Einspritzloch dabei konisch ausgebildet wird. Alternativ wäre jedoch vorzugsweise auch eine zylindrische, oder ausgehend von dem Vorstufenboden sich aufweitende Ausbildung des Bohrlochs möglich.The injection hole is preferably tapered by the step of drilling starting from the preliminary stage floor, in order to enable simple manufacture and a favorable flow-through. It is particularly favorable if the injection hole is designed to be conical. Alternatively, however, a cylindrical design of the borehole, or a design that widens starting from the preliminary stage bottom, would also be possible.

Weiterhin führt die Erfindung zu einem Injektor, welcher zumindest eine Einspritzöffnung umfasst. Die Einspritzöffnung weist ein Einspritzloch und eine Vorstufe auf und ist dabei mittels eines obenstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt. Bei dem Injektor handelt es sich vorzugsweise um einen Kraftstoffinjektor, insbesondere für eine Direkteinspritzung in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Alternativ wäre es auch möglich, den Injektor beispielsweise als Wasserinjektor oder als Harnstoffinjektor vorzusehen. Die durch das Verfahren hochpräzise hergestellten Einspritzöffnungen des Injektors ermöglichen dabei ein besonders gutes Spraybild des Injektors. Zudem ermöglicht das Verfahren besonders kostengünstige Herstellung des Injektors mit den besonders präzise gefertigten Einspritzöffnungen.The invention also leads to an injector which comprises at least one injection opening. The injection opening has an injection hole and a preliminary stage and is produced by means of a method described above. The injector is preferably a fuel injector, in particular for direct injection into a combustion chamber of an internal combustion engine. Alternatively, it would also be possible to provide the injector, for example, as a water injector or as a urea injector. The injection openings of the injector produced with high precision by the process enable a particularly good spray pattern of the injector. In addition, the method enables particularly cost-effective manufacture of the injector with the particularly precisely manufactured injection openings.

Bevorzugt umfasst der Injektor ferner ein Ventilelement, in welchem die Einspritzöffnung ausgebildet ist. Das Ventilelement kann beispielsweise Teil eines Ventilgehäuses des Injektors, oder auch ein separates Bauteil sein, welches mit dem Ventilgehäuse verbindbar, insbesondere verschweißbar, ist. Alternativ kann der Injektor ferner eine einfach und günstig herzustellende Spritzlochscheibe umfassen, in welcher die Einspritzöffnung ausgebildet ist. In beiden Fällen, also bei Ventilelement oder auch Spritzlochscheibe, ist es besonders günstig, wenn jeweils mehrere, insbesondere 6, Einspritzöffnungen vorgesehen sind.The injector preferably further comprises a valve element in which the injection opening is formed. The valve element can, for example, be part of a valve housing of the injector, or also a separate component which can be connected, in particular welded, to the valve housing. Alternatively, the injector can further comprise an injection orifice disk which is simple and inexpensive to manufacture and in which the injection opening is formed. In both cases, that is to say in the case of the valve element or also the spray orifice plate, it is particularly advantageous if several, in particular 6, injection openings are provided in each case.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittansicht einer Einspritzöffnung des Injektors der 1 während eines Herstellungsverfahrens,
3 eine schematische Schnittansicht der Einspritzöffnung der 2 in fertiggestelltem Zustand,
4 ein Detail der 3,
5 eine schematische Schnittansicht einer Einspritzöffnung eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines Herstellungsverfahrens.

Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 a simplified schematic view of an injector according to a first embodiment of the invention,
2 a schematic sectional view of an injection opening of the injector of FIG 1 during a manufacturing process,
3 a schematic sectional view of the injection opening of FIG 2 in completed condition,
4th a detail of the 3 ,
5 a schematic sectional view of an injection opening of an injector according to a second embodiment of the invention during a manufacturing process.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht eines Injektors 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Injektor 1 ist als Direkteinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen (nicht dargestellten) Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet.The 1 shows a simplified schematic sectional view of an injector 1 according to a first embodiment of the invention. The injector 1 is designed as a direct injection valve for injecting fuel into a combustion chamber (not shown) of an internal combustion engine.

Der Injektor 1 umfasst ein Gehäuse 20, innerhalb welchem eine Ventilnadel 21 angeordnet ist. An einem axialen Ende der Ventilnadel 21 ist eine Kugel 22 als Schließelement vorgesehen. Durch Anlegen der Kugel 22 an einem Ventilsitz 23 werden insgesamt sechs Einspritzöffnungen 2 verschlossen.The injector 1 includes a housing 20th inside which a valve needle 21 is arranged. At one axial end of the valve needle 21 is a ball 22nd provided as a closing element. By applying the ball 22nd on a valve seat 23 will be a total of six injection ports 2 locked.

Wie in der 1 zu erkennen, sind der Ventilsitz 23 und die Einspritzöffnungen 2 an einem Ventilelement 24 des Injektors 1 vorgesehen. Das Ventilelement 24 ist an einem axialen Ende des Gehäuses 20 angeordnet und mit diesem verschweißt.Like in the 1 the valve seat can be seen 23 and the injection ports 2 on a valve element 24 of the injector 1 intended. The valve element 24 is at one axial end of the housing 20th arranged and welded to this.

Bei einem Betrieb des Injektors 1 wird die Kugel 22 zum Einspritzen vom Ventilsitz weg bewegt, sodass ein Fluiddurchtritt durch die Einspritzöffnungen 2 ermöglicht wird. Um eine optimale Spray-Bildung des einzuspritzenden Kraftstoffs zu ermöglichen, ist eine hochpräzise Geometrie der Einspritzöffnungen 2 erforderlich. Um solche Einspritzöffnungen 2 mit möglichst exakten geometrischen Eigenschaften zu erzeugen, ist das nachfolgend in Bezug auf die 2 bis 5 beschriebene Herstellungsverfahren vorgesehen.When the injector is operating 1 becomes the ball 22nd for injection moved away from the valve seat, so that a fluid passage through the injection openings 2 is made possible. In order to enable an optimal spray formation of the fuel to be injected, a high-precision geometry of the injection openings is required 2 required. Around such injection ports 2 to produce with the most exact geometric properties possible, the following is in relation to the 2 to 5 described manufacturing process provided.

Die 2 zeigt ein Detail einer schematischen Schnittansicht einer Einspritzöffnung 2 des Injektors 1 der 1 während des Herstellungsverfahrens. Wie anhand der 2 ersichtlich, weist die Einspritzöffnung 2 eine Vorstufe 3 und ein Einspritzloch 5 auf. Das Einspritzloch 5 ist als Durchgangsloch ausgebildet und erstreckt sich von einem Vorstufenboden 4 ausgehend durch das Ventilelement 24 hindurch. Zudem ist das Einspritzloch 5 ausgehend von dem Vorstufenboden 4 sich verjüngend ausgebildet. Einspritzloch 5 und Vorstufe 3 weisen jeweils einen kreisrunden Querschnitt auf und erstrecken sich entlang einer Achse 15. Somit sind das Einspritzloch 5 und die Vorstufe 3 koaxial ausgebildet.The 2 shows a detail of a schematic sectional view of an injection opening 2 of the injector 1 the 1 during the manufacturing process. How with the 2 can be seen, has the injection opening 2 a preliminary stage 3 and an injection hole 5 on. The injection hole 5 is designed as a through hole and extends from a preliminary stage floor 4th starting through the valve element 24 through. In addition, there is the injection hole 5 starting from the preliminary floor 4th tapered. Injection hole 5 and prepress 3 each have a circular cross section and extend along an axis 15th . Thus are the injection hole 5 and the prepress 3 formed coaxially.

Die Vorstufe 3 wurde vor dem in der 2 abgebildeten Zustand mittels einer spanenden Bearbeitung, nämlich mittels Bohren, hergestellt. Die Vorstufe 3 wurde hierbei auf eine vordefinierte Tiefe 51 entlang der Achse 15 gebracht, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiels um 50 µm kleiner ist als eine Zieltiefe 52 der Vorstufe 3.The prepress 3 was before in the 2 shown state by means of machining, namely by means of drilling. The prepress 3 was doing this to a predefined depth 51 along the axis 15th brought, which in the present embodiment is 50 microns smaller than a target depth 52 the prepress 3 .

Im Anschluss an das Herstellen der Vorstufe 3 erfolgte das Bohren des Einspritzlochs 5 in den Vorstufenboden 4 der Vorstufe 3. Das Bohren des Einspritzlochs 5 wurde dabei mittels eines Ultrakurzpulslasers 30, kurz UKP-Laser, als UKP-Bohren durchgeführt. Das UKP-Bohren führt prozessbedingt zu reliefartigen Erhöhungen am Vorstufenboden 4 und vor allem zu einer ungenauen, deutlich verrundeten Kante 6' am Übergang zwischen Vorstufenboden 4 und Einspritzloch 5, wie in der 2 stark übertrieben dargestellt.Following the production of the prepress 3 the injection hole was drilled 5 in the pre-stage floor 4th the prepress 3 . Drilling the injection hole 5 was done by means of an ultrashort pulse laser 30th , USP laser for short, carried out as USP drilling. Due to the process, USP drilling leads to relief-like elevations on the preliminary floor 4th and above all to an imprecise, clearly rounded edge 6 ' at the transition between the preliminary floor 4th and injection hole 5 , like in the 2 depicted greatly exaggerated.

Eine solche verrundete Kante 6` führt jedoch zu einer ungenauen Spraybildung, wenn Kraftstoff durch die Einspritzöffnung 2 entlang der Richtung A hindurch gefördert wird. Dies kann zu einer Verschlechterung des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise aufgrund von Verkokung an der verrundeten Kante 6' führen. Um die Geometrie der Einspritzöffnung 2 im Hinblick auf eine präzise, scharfe Kante 6 zu verbessern, ist bei dem Herstellungsverfahren nach dem UKP-Bohren ein Nachbearbeiten des Vorstufenbodens 4 vorgesehen. Die 2 zeigt dabei eine Momentaufnahme während dieses Nachbearbeitens.Such a rounded edge 6` however, results in inaccurate spray formation when fuel passes through the injection port 2 is conveyed along the direction A. This can lead to a deterioration in the combustion and emissions behavior of the internal combustion engine, for example due to coking on the rounded edge 6 ' to lead. About the geometry of the injection opening 2 with a view to a precise, sharp edge 6th In the manufacturing process after USP drilling, reworking of the preliminary stage floor can be improved 4th intended. The 2 shows a snapshot during this post-processing.

Zum Nachbearbeiten des Vorstufenbodens 4 wird derselbe UKP-Laser 30 wie zum Bohren des Einspritzlochs 5 verwendet. Während des Nachbearbeitens strahlt der UKP-Laser 30, wie auch beim Bohren des Einspritzlochs 5, eine gepulste Laserstrahlung 31 mit einer Frequenz von 400kHz aus. Die Laserstrahlung 31 wird hierbei mithilfe einer (nicht dargestellten) Strahlablenkeinheit auf geeigneter Bahn über das Bauteil geführt. Die Laserstrahlung 31 bewirkt einen Materialabtrag am Vorstufenboden 4, wodurch dieser geglättet und die Kante 6 optimiert wird. Durch das Nachbearbeiten wird der Vorstufenboden 4 somit auf Zieltiefe 52 gebracht. Die fertiggestellte Einspritzöffnung 2 ist in der 3 dargestellt.For reworking the pre-stage floor 4th becomes the same USP laser 30th how to drill the injection hole 5 used. The USP laser shines during post-processing 30th as well as when drilling the injection hole 5 , a pulsed laser radiation 31 with a frequency of 400kHz. The laser radiation 31 is guided over the component on a suitable path with the aid of a beam deflection unit (not shown). The laser radiation 31 causes material removal on the preliminary floor 4th , making this smoothed and the edge 6th is optimized. The post-processing becomes the pre-stage floor 4th thus to the target depth 52 brought. The completed injection port 2 is in the 3 shown.

Um einen gegenüber dem UKP-Bohren geringeren Materialabtrag vorzusehen, wird der UKP-Laser 30 zum Nachbearbeiten mit einer um einen Faktor 3 höheren zweiten Abtastgeschwindigkeit gegenüber einer ersten Abtastgeschwindigkeit beim UKP-Bohren betrieben. Zudem ist eine Laserleistung des UKP-Lasers 30 beim Nachbearbeiten um 50 % gegenüber dem Bohren des Einspritzlochs 5 verringert.In order to provide less material removal compared to USP drilling, the USP laser 30th for reworking with a by a factor 3 higher second scanning speed compared to a first scanning speed in USP drilling operated. In addition, there is a laser power of the USP laser 30th when reworking by 50% compared to drilling the injection hole 5 decreased.

Somit kann die Einspritzöffnung 2 durch das Verfahren auf besonders einfache und zeiteffiziente Art und Weise mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, wobei das Bohren des Einspritzlochs 5 und das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens 4 in einer einzigen Aufspannung und mittels desselben UKP-Lasers 30 durchgeführt wird. Das Nachbearbeiten des Vorstufenbodens 4 bewirkt dabei, dass eine besonders präzise und scharfe Kante 6 am Übergang zwischen Vorstufenboden 4 und Einspritzloch 5 erzeugt wird. Beim Einspritzen des Kraftstoffs kann somit mittels einer solchen scharfen Kante 6 ein besonders gutes Spraybild erzeugt werden, da der durch das Einspritzloch 5 geförderte Kraftstoff exakt an der vorgesehenen Position, nämlich an der Kante 6 abreißt und zerstäubt.Thus, the injection port 2 can be produced by the method in a particularly simple and time-efficient manner with high accuracy, with the drilling of the injection hole 5 and the finishing of the pre-stage floor 4th in a single setting and using the same USP laser 30th is carried out. The reworking of the pre-stage floor 4th causes a particularly precise and sharp edge 6th at the transition between the preliminary floor 4th and injection hole 5 is produced. When injecting the fuel, it is thus possible to use such a sharp edge 6th a particularly good spray pattern can be generated, as the one through the injection hole 5 delivered fuel exactly at the intended position, namely at the edge 6th tears off and atomized.

Durch das Nachbearbeiten kann insbesondere ein radialer Kantenbruch 61, wie in dem in der 4 dargestelltem, stark vergrößertem Detail ersichtlich, besonders klein gehalten werden. Der radiale Kantenbruch 61 ist dabei in der 4 gemäß ISO 1375:2000 dargestellt und bemaßt und entspricht einer in radialer Richtung gemessenen Länge einer Abtragung an der hier gratfrei vorliegenden Kante 6 gegenüber einer idealen Kante 6". Die Größe dieses radialen Kantenbruch 61 ist maßgeblich verantwortlich für eine gute Spraybildung beim Austritt des Kraftstoffs in Richtung A aus dem Injektor 1. Um ein besonders gutes Spraybild zu erhalten, ist bei der vorliegenden Einspritzöffnung 2 eine Begrenzung des radialen Kantenbruchs 61 auf maximal 4 µm vorgesehen. Durch das vorliegende Verfahren zur Herstellung der Einspritzöffnung 2 ist eine solche präzise Geometrie der Einspritzöffnung 2 besonders einfach sowie zeit- und kosteneffizient möglich.The reworking can in particular cause a radial edge break 61 as in the one in the 4th shown, greatly enlarged detail can be seen, kept particularly small. The radial edge break 61 is in the 4th shown and dimensioned in accordance with ISO 1375: 2000 and corresponds to a length measured in the radial direction of a removal on the edge that is free of burrs here 6th versus an ideal edge 6 " . The size of this radial edge break 61 is largely responsible for good spray formation when the fuel emerges in direction A from the injector 1 . In order to obtain a particularly good spray pattern, is with the present injection opening 2 a limitation of the radial edge break 61 provided to a maximum of 4 µm. By the present method of making the injection port 2 is such a precise geometry of the injection port 2 particularly simple, time-efficient and cost-efficient.

Die 5 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Einspritzöffnung 2 eines Injektors 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist dabei ein Zustand analog der 2 während eines Herstellungsverfahrens, wobei der UKP-Laser 30 und der Laserstrahl 31 nicht dargestellt sind. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 erfolgte das Herstellen der Vorstufe 3 ebenfalls mittels Laserabtrag durch den UKP -Laser 30. Die Vorstufe 3 wurde dabei als sacklochartige Vertiefung mittels des UKP-Lasers 30 und entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel bis zu der vordefinierten Tiefe 51 gebohrt. Die Vorstufe 3 wurde dabei in Richtung des Vorstufenbodens 4 verjüngt ausgebildet.The 5 shows a schematic sectional view of an injection opening 2 an injector 1 according to a second embodiment of the invention. A state analogous to that is shown 2 during a manufacturing process, the USP laser 30th and the laser beam 31 are not shown. In contrast to the first embodiment of the 1 to 4th the preparation of the preliminary stage took place 3 also by means of laser ablation by the USP laser 30th . The prepress 3 was created as a blind hole-like depression using the USP laser 30th and according to the first embodiment up to the predefined depth 51 drilled. The prepress 3 was doing in the direction of the preliminary floor 4th tapered.

Bei einem solchen Bohren sacklochartiger Vertiefungen mittels eines UKP-Lasers 30 entsteht eine Randvertiefung 8 an einem radial äußeren Rand des Vorstufenbodens 4. Im zweiten Ausführungsbeispiel der 5 ist der Schritt des Nachbearbeitens des Vorstufenbodens 4 derart eingerichtet, dass die Randvertiefung 8 entfernt wird. Hierdurch wird die Vorstufe 3 zudem auf die Zieltiefe 52 gebracht.When drilling blind hole-like depressions in this way by means of a USP laser 30th an edge depression is created 8th at a radially outer edge of the preliminary stage floor 4th . In the second embodiment of the 5 is the step of finishing the pre-stage floor 4th set up in such a way that the edge recess 8th Will get removed. This becomes the preliminary stage 3 also on the target depth 52 brought.

Es sei angemerkt, dass sämtliche Figuren nicht maßstabsgetreu dargestellt sind, sondern lediglich schematische Ansichten des Gegenstands der Erfindung zeigen, und dass geometrische Eigenschaften und Verhältnisse aus Gründen der Anschaulichkeit stark übertrieben dargestellt sind.It should be noted that all the figures are not shown to scale, but only show schematic views of the subject matter of the invention, and that geometric properties and relationships are shown greatly exaggerated for reasons of clarity.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102014206782 A1 [0002]

Claims

Method for producing injection openings (2) of an injector (1), comprising the following steps: - production of a preliminary stage (3), - Drilling an injection hole (5) in a preliminary stage bottom (4) of the preliminary stage (3), and - Post-processing of the preliminary stage base (4), the drilling of the injection hole (5) and the post-processing of the preliminary stage base (4) being carried out by means of laser ablation.

Procedure according to Claim 1 , whereby an edge (6), in particular with a radial edge break (61) of a maximum of 4 μm, is produced at the transition from the preliminary stage base (4) to the injection hole (5) by reworking the preliminary stage base (4).

Method according to one of the preceding claims, wherein the laser ablation is carried out by means of an ultrashort pulse laser (30).

Method according to one of the preceding claims, wherein the drilling of the injection hole (5) and the reworking of the preliminary stage base (4) take place in a single setting, and in particular by means of the same laser.

Method according to one of the preceding claims, wherein for reworking the preliminary stage base (4) a second feed speed of a laser spot is increased compared to a first feed speed of the laser spot when drilling the injection hole (5), in particular by at least a factor of 10, preferably at least 30, and particularly preferably a maximum of 1000.

Method according to one of the preceding claims, wherein for reworking the preliminary stage bottom (4) a laser power of the laser, in particular by at least 10%, preferably by a maximum of 80%, particularly preferably by 50%, is reduced compared to the drilling of the injection hole (5).

Method according to one of the preceding claims, wherein the production of the preliminary stage (3) takes place up to a predetermined depth (51) which is less than a target depth (52), and wherein the preliminary stage (3) by the step of post-processing to the target depth ( 52) is brought.

Method according to one of the preceding claims, wherein the preliminary stage (3) is produced by means of machining.

Method according to one of the Claims 1 to 7th , the preliminary stage (3) being produced by means of laser ablation, in particular by means of an ultrashort pulse laser (30).

Method according to one of the preceding claims, wherein the step of reworking is set up to remove an edge depression (8) on the preliminary stage floor (4).

Method according to one of the preceding claims, wherein the injection hole (5) is designed to taper, in particular conically, starting from the preliminary stage base (4).

An injector, in particular a fuel injector, comprising at least one injection opening (2) which has an injection hole (5) and a preliminary stage (3), the injection opening (2) being produced by means of a method according to one of the preceding claims.

Injector after Claim 12 , further comprising: - a valve element (24) in which the injection opening (2) is formed, or - an injection orifice disk in which the injection opening (2) is formed.