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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere einen sogenannten Wirbelinjektor, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Injektors.
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Der erfindungsgemäße Injektor ist dabei vorzugsweise ein Kraftstoffinjektor, insbesondere ein Benzininjektor, oder ein Wasserinjektor oder ein Harnstoffinjektor.
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Injektoren sind auf dem der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 10 2006 057 279 A1 einen Injektor mit einer Spritzlochplatte, welche galvanogeformt ist. Insbesondere bei Benzininjektoren oder Wasserinjektoren im Niederdruckbereich (bis 100 × 10
5 Pa) werden für eine möglichst gute Zerstäubung des einzuspritzenden Fluids Injektoren mit mehreren Spritzlöchern verwendet. Dadurch kann jedoch eine komplexe Geometrie des Injektors entstehen. Die unterschiedlichen geometrischen Parameter beeinflussen jedoch in hohem Maße eine Durchflussrate sowie einen Winkel des im Einspritzraum, insbesondere Brennraum einer Brennkraftmaschine, erzeugten Sprays. Hierbei sollte für eine möglichst vollständige Verbrennung und zur Einhaltung von Emissionsvorschriften eine möglichst gute Atomisierung des eingespritzten Fluids ermöglicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einspritzen eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sicher eine sehr feine Atomisierung des einzuspritzenden Fluids, insbesondere Benzin oder Wasser, möglich ist. Dies ist besonders bevorzugt in einem Niederdruckbereich kleiner 100 × 105 Pa möglich. Erfindungsgemäß wird dabei eine sehr gute Atomisierung des einzuspritzenden Fluids ohne eine Erhöhung des Einspritzdrucks ermöglicht. Dabei kann der erfindungsgemäße Injektor sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden. Weiterhin kann auf einfache und sichere Weise ein Zielwinkel eines im Wesentlichen kegelförmigen Sprays im Einspritzraum ermöglicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor ein Schließelement aufweist, welches an einem Ventilsitz einen Fluiddurchlass freigibt und verschließt. Ferner ist ein Spritzlochbauteil mit einer Vielzahl von Spritzlöchern vorgesehen. Das Spritzlochbauteil ist beispielsweise eine Spritzlochplatte oder ein topfförmiges Bauteil, wobei jeweils eine Vielzahl von, insbesondere zylindrischen, Spritzlöchern, beispielsweise vier oder sechs Spritzlöcher, vorgesehen sind. Hierbei sind an einer zum Schließelement gerichteten Innenseite des Spritzlochbauteils um die Spritzlöcher herum jeweils Wirbelkammern ausgebildet. Die Wirbelkammern an der Innenseite des Spritzlochbauteils können dem austretenden Spray einen vorbestimmte Drall aufprägen. An einer vom Schließelement abgewandten Außenseite des Spritzlochbauteils ist an jedem Spritzloch jeweils ein Materialreduktionsbereich zur Reduzierung einer Dicke des Spritzlochbauteils ausgebildet. Dadurch kann eine, insbesondere zylindrische, Länge des Spritzlochs exakt eingestellt werden. Durch die exakte Einhaltung einer Axiallänge des Spritzlochs, insbesondere mit minimalster Toleranz, kann die Einhaltung des vorbestimmten Winkels eines Spraykegels sowie eine besonders feine Atomisierung des einzuspritzenden Fluids sichergestellt werden. Das Spritzloch ist dabei vorzugsweise vollständig zylindrisch. Da die Einstellung der Spritzlochlänge an der Außenseite des Spritzlochbauteils erfolgt, kann die Innenseite des Spritzlochbauteils, welche die Wirbelkammern und gegebenenfalls noch Kanäle oder dergleichen aufweist, beispielsweise in einem Schritt, z. B. mittels eines Umformverfahrens, bereitgestellt werden. Eine Einstellung der Spritzlochlänge kann dann ausschließlich an der Außenseite des Spritzlochbauteils erfolgen. Eine Innengeometrie des Spritzlochbauteils wird durch die Einstellung der Spritzlochlänge nicht beeinflusst.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist der Materialreduktionsbereich teilweise oder vollständig um das Spritzloch ausgebildet. Ein vollständig um das Spritzloch umlaufender Materialreduktionsbereich kann sehr einfach hergestellt werden. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass eine verbesserte Atomisierung auch dadurch erreicht werden kann, dass der Materialreduktionsbereich nur teilweise um das Spritzloch, beispielsweise in einem Umfangsbereich von 50 % oder größer des Gesamtumfangs vorgesehen sein kann, um deutliche Verbesserungen der Atomisierung des Sprays zu erreichen.
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Der Materialreduktionsbereich an der Außenseite des Spritzlochbauteils ist vorzugsweise als Umformbereich vorgesehen, welcher durch ein Umformverfahren bereitgestellt ist. Das Umformverfahren ist dabei besonders bevorzugt ein Druckumformen, insbesondere ein Prägen oder Eindrücken des Bereichs an der Außenseite des Spritzlochbauteils um einen Austrittsbereich des Spritzlochs herum.
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Alternativ ist der Materialreduktionsbereich als spanabhebend bearbeiteter Bereich vorgesehen. Dabei kann der Materialreduktionsbereich durch ein spanabhebendes Verfahren, beispielsweise Fräsen oder Schleifen oder dergleichen, bereitgestellt werden. Weiter bevorzugt ist der Materialreduktionsbereich ein Erodierbereich oder ein Ätzbereich.
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Das Spritzlochbauteil ist vorzugsweise eine Spritzlochplatte oder ein topfförmiges Spritzlochbauteil. Vorzugsweise ist am Spritzlochbauteil auch der Ventilsitz des Injektors angeordnet.
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Weiter bevorzugt werden die Wirbelkammern an der Innenseite des Spritzlochbauteils ebenfalls durch ein Umformverfahren, insbesondere ein Prägen oder Druckumformen, hergestellt. Weiter bevorzugt weist das Spritzlochbauteil ausgehend von einem Punkt, durch welchen eine Mittelachse des Injektors verläuft, Kanäle auf, welche zu den einzelnen Wirbelkammern an den Spritzlöchern führen. Die Kanäle sind vorzugsweise geradlinig ausgebildet.
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Der Injektor ist vorzugsweise ein Benzininjektor oder ein Wasserinjektor oder ein Harnstoffinjektor.
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Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Spritzlochbauteils eines Injektors zum Einbringen eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei sehr einfach und kostengünstig ausgeführt werden, sodass die Herstellungskosten für ein derartiges Spritzlochbauteil sehr gering gehalten werden können. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Herstellens einer Vielzahl von, insbesondere zylindrischen, Spritzlöchern im Spritzlochbauteil mit an einer Innenseite des Spritzlochbauteils ausgebildeten Wirbelkammer. In einem anschließenden Schritt wird dann eine Außenseite des Spritzlochbauteils jeweils an einem Austrittsbereich der Spritzlöcher an der Außenseite derart bearbeitet, dass durch eine Materialreduktion eine Länge der Spritzlöcher eingestellt wird. Somit wird eine endgültige Länge der Spritzlöcher ausschließlich durch Bearbeitung an der Außenseite des Spritzlochbauteils vorgenommen. Dadurch muss nicht an der Innenseite des Spritzlochbauteils, an welcher die Wirbelkammern und gegebenenfalls zuführende Kanäle oder dergleichen ausgebildet sind, bearbeitet werden. Dadurch wird eine Gefahr einer Beschädigung der teilweise komplexen Geometrie an der Innenseite des Spritzlochbauteils vermieden, da erfindungsgemäß ausschließlich die Länge des Spritzlochs durch Bearbeitung an der Außenseite erfolgt. Die Einstellung der Länge der Spritzlöcher wird vorzugsweise nur durch einen einzigen Verfahrensschritt ausgeführt.
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Vorzugsweise werden die Spritzlöcher am Austrittsbereich an der Außenseite des Spritzlochbauteils nur an einem Teilumfang des Austrittsbereichs oder alternativ am kompletten Umfang des Austrittsbereichs bearbeitet.
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Die Bearbeitung der Außenseite des Spritzlochbauteils wird vorzugsweise durch ein Umformverfahren durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Einstellung der Länge der Spritzlöcher in einem Schritt durch nur einen Umformschritt realisiert werden kann. Das Umformverfahren ist vorzugsweise ein Druckumformen, insbesondere ein Prägen oder ein Eindrücken oder dergleichen. Die Umformung kann dabei als Kaltumformung vorgenommen werden.
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Alternativ wird die Außenseite des Spritzbauteils durch ein spanabhebendes Verfahren bearbeitet, um die Länge der Spritzlöcher einzustellen. Das spanabhebende Verfahren kann beispielsweise Fräsen oder Schleifen oder dergleichen sein.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird am Austrittsbereich des Spritzlochs ein sich erweiternder Bereich ausgebildet, insbesondere ein sich konisch erweiternder Bereich, wodurch eine Länge der Spritzlöcher eingestellt wird.
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Besonders bevorzugt wird das Spritzlochbauteil in einem ersten Schritt durch Tiefziehen zur Herstellung eines Wirbelpfads, insbesondere von Zufuhrkanälen, sowie einer Ausbildung einer grundlegenden Innengeometrie des Spritzlochbauteils und in einem zweiten anschließenden Schritt die Wirbelkammern hergestellt. Anschließend werden die Spritzlöcher eingebracht, beispielsweise durch ein spanabhebendes Verfahren wie Bohren oder mittels eines Lasers. Im letzten Schritt wird dann die Außenseite des Spritzlochbauteils bearbeitet, um die Materialreduktionsbereiche an den Austrittsbereichen der Spritzlöcher herzustellen.
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Weiterhin kann die Außenseite des Spritzlochbauteils zur Materialreduktion auch durch ein Erodierverfahren oder ein Ätzverfahren hergestellt werden.
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Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Spritzlochbauteil hat insbesondere keine negativen Auswirkungen auf eine Durchflussrate durch die Spritzlöcher, da an den Spritzlöchern selbst, insbesondere der Durchmesser, sowie an der Innengeometrie des Spritzlochbauteils keine Änderungen vorgenommen werden. Insbesondere muss ein schon vorhandenes Werkzeug zur Ausbildung der Innengeometrie des Spritzlochbauteils nicht geändert werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Injektors mit einem Spritzlochbauteil gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung einer Innenseite des Spritzlochbauteils von 1,
- 3 eine schematische Darstellung einer Außenseite des Spritzlochbauteils von 1,
- 4 eine schematische Teilschnittansicht des Spritzlochbauteils von 1,
- 5 eine schematische Außenansicht eines Spritzlochbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 6 eine schematische Teilschnittansicht des Spritzlochbauteils von 5.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Der Injektor 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Kraftstoffinjektor.
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Der Injektor 1 umfasst einen Magnetaktor 20 sowie ein Schließelement 2 in Form einer Schließnadel. Am freien Ende der Schließnadel ist eine Kugel 21 vorgesehen, welche in bekannter Weise einen Fluiddurchlass an einem Ventilsitz 5 freigibt und verschließt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilsitz 5 an einem mit einem Spritzlochbauteil 3 verbundenen Bauteil ausgebildet. Das Spritzlochbauteil 3 weist eine Vielzahl von zylindrischen Spritzlöchern 4 auf. In diesem Ausführungsbeispiel genau vier Spritzlöcher 4. Ferner ist das Spritzlochbauteil 3 als Scheibe ausgebildet. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Spritzlochbauteil 3 mit einem Ventilgehäuse 21 verbunden.
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2 zeigt eine Ansicht einer Innenseite 6 des Spritzlochbauteils 3. Hierbei sind um die Spritzlöcher 4 jeweils Wirbelkammern 40 ausgebildet, welche dem einzuspritzenden Fluid einen Drall aufprägen, sodass beim Austritt des einzuspritzenden Fluids der erzeugte Spraykegel sich mit Drall bzw. wirbelartig im Einspritzraum ausbreitet.
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An der Innenseite 6 sind ferner noch geradlinige Kanäle 41 ausgebildet, welche ausgehend von einer Mittelachse X-X des Injektors verlaufen. Jeder Kanal 41 führt dabei zu einer Wirbelkammer 40, welche, wie aus 2 ersichtlich ist, in einem vorbestimmten Winkel in Umfangsrichtung des Injektors leicht abgeknickt ist.
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In der Mitte der Wirbelkammern 40 sind jeweils die Spritzlöcher 4 ausgebildet.
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3 zeigt eine Außenseite 7 des Spritzlochbauteils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. An der Außenseite 7 sind die durch Prägen hergestellten Kanäle und Wirbelkammern von der Innenseite in Negativform ausgeprägt. Ferner ist an einem Austrittsbereich jedes Spritzlochs 4 ein Materialreduktionsbereich 8 ausgebildet. Der Materialreduktionsbereich 8 ist im Detail aus der Schnittansicht von 4 ersichtlich.
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Wie im Detail aus 4 ersichtlich ist, ist eine normale Dicke des Spritzlochbauteils mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Im Bereich des Spritzlochs 4 weist das Spritzlochbauteil 3 dabei eine reduzierte Dicke auf, welche um die Materialreduktion 11 reduziert ist. In diesem Bereich ist das Spritzloch 4 angeordnet. Hierdurch kann eine zylindrische Länge 10 des Spritzlochs 4, welches zylindrisch ist, eingestellt werden.
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Eine vorbestimmte zylindrische Länge des Spritzlochs 4 wird somit ausschließlich durch Bearbeitung des Spritzlochs an der Außenseite 7 hergestellt.
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Der Materialreduktionsbereich 8 kann beispielsweise ein Umformbereich sein, welcher ausschließlich durch ein Umformverfahren wie Prägen oder Eindrücken oder dergleichen hergestellt wurde oder alternativ ein mittels spanabhebenden Verfahrens oder eines Erodierverfahrens oder eines Ätzverfahrens hergestellter Bereich sein. Vorzugsweise werden in einem Schritt alle Materialreduktionsbereiche 8 an den Spritzlöchern 4 gleichzeitig hergestellt.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, beträgt die Materialreduktion 11 in diesem Ausführungsbeispiel ca. 20 % der Dicke 9 des Spritzlochbauteils.
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Das Spritzlochbauteil 3 kann somit durch das erfindungsgemäße Verfahren derart hergestellt werden, dass in einem ersten Schritt die Innenseite 6 des Spritzlochbauteils 3 und die zylindrischen Spritzlöcher 4 hergestellt werden und in einem abschließenden Schritt die Außenseite 7 bearbeitet wird, um durch Materialreduktion am Materialreduktionsbereich 8 eine zylindrische Länge 10 des Spritzlochs 4 in einem Schritt einzustellen. Dabei kann die Innenseite 6 beispielsweise zuerst durch Tiefziehen des Spritzlochbauteils 3 zur Herstellung einer grundlegenden Innengeometrie 43 und einem anschließenden Umformschritt beispielsweise durch Prägen an der Innenseite 6 zur Herstellung der Wirbelkammern 14 und der Kanäle 41 hergestellt werden. Anschließend können die Spritzlöcher 4 in die Mitte der Wirbelkammern 40 eingebracht werden und in einem letzten, einzelnen Schritt die Außenseite 7 des Spritzlochbauteils 3 bearbeitet werden, um die exakte Länge 10 der Spritzlöcher durch Materialreduktion an der Außenseite 7 herzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei sehr einfach und kostengünstig ausgeführt werden. Das derart hergestellte Spritzlochbauteil 3 ermöglicht durch die exakte Einhaltung der Länge 10 des Spritzlochs 4 eine exzellente Atomisierung des einzuspritzenden Fluids, ohne dass hierdurch eine Durchflussrate durch die Spritzlöcher 4 negativ beeinflusst wird. Durch die exakte Einhaltung der Länge 10 der Spritzlöcher 4 kann auch ein Kegelwinkel des einzuspritzenden Fluids im Einspritzraum, beispielsweise einem Brennraum einer Brennkraftmaschine bei einem direkten einspritzenden Injektor, exakt eingehalten werden.
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5 und 6 zeigen ein Spritzlochbauteil 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Wie insbesondere aus 6 ersichtlich ist, weist das Spritzlochbauteil 3 des zweiten Ausführungsbeispiels einen unterschiedlichen Materialreduktionsbereich 8 auf. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Materialreduktionsbereich 8 durch einen sich konisch erweiternden Bereich 42 am Austrittsbereich des Spritzlochs 4 ausgebildet. Der sich konisch erweiternde Bereich 42 muss dabei nicht vollständig um den Außenbereich des Spritzlochs 4 herum ausgebildet sein, sondern für die Erreichung der erfindungsgemäßen Ziele ist es ausreichend, wenn der konische Bereich 42 nur teilweise um das Spritzloch am Austrittsbereich hergestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057279 A1 [0003]
