DE19914719A1 - Verfahren und Vorrichtung zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten in einem Düsenkörper und Düsenkörper - Google Patents

Abstract

Zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten (31) in einem Düsenkörper (1) wird ein Strömungskörper in den Düsenkörper eingebracht, der den Strömungsverlauf eines abrasive Teilchen enthaltenden Mediums durch den Düsenkörper (1) so festlegt, daß gezielt Material an der Bohrungskante abgetragen wird. Der Düsenkörper (1) weist an seiner Einlaufkante (31, 41) an deren oberen Bereich einen Kantenradius (R) auf, der zwischen dem 1,5-fachen und 5-fachen des Lochdurchmessers (D) des Spritzlochs (3, 4) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten in einem Dü­ senkörper, bei dem der Düsenkörper von einem abrasive Teil­ chen enthaltenden Medium zum Abtragen von Material an der Bohrungskante durchströmt wird und ein Düsenkörper eines Kraftstoffeinspritzventils. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE 195 07 171 Cl bekannt.

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung eingesetzt. In solchen Direktein­ spritzsystemen werden dabei als Einspritzdüsen vor allem Lochdüsen verwendet, wobei zu einer optimalen Gemischbildung und damit Verbrennung in einer Brennkammer des Verbrennungs­ motors ein möglichst kleiner Einspritzquerschnitt gefordert wird. Bei der gewünschten Verkleinerung der Querschnitte des Spritzlochs in der Einspritzdüse ist neben fertigungstechni­ schen Problemen insbesondere auch zu berücksichtigen, daß ei­ ne bestimmte Kraftstoffmenge innerhalb eines sehr kurzen Ein­ spritzzeitraums durch die Einspritzdüse in die Brennkammer eingespritzt werden muß, um die gewünschte Leistung des Ver­ brennungsmotors zu erzielen. Um einen höheren Kraftstoff­ durchsatz durch das Spritzloch der Einspritzdüse auch bei kleinem Spritzlochquerschnitt zu erreichen, besteht die Mög­ lichkeit, entweder den Einspritzdruck zu erhöhen, den Durch­ flußbeiwert durch das Spritzloch zu vergrößern oder die Kraftstoffdichte zu erniedrigen. Einer unbeschränkten Erhö­ hung des Einspritzdrucks stehen jedoch die Festigkeitsanfor­ derungen an die Einspritzdüse entgegen. Der Verringerung der Kraftstoffdichte sind weiterhin physikalische Grenzen ge­ setzt. Aus diesen Gründen wird bei der Verbesserung der Ein­ spritzdüsen vor allem versucht, den Durchflußbeiwert von Kraftstoff durch den Spritzlochkanal der Einspritzdüse zu er­ höhen.

In der DE 195 07 171 C1 wird hierzu vorgeschlagen, den Spritzlochkanal im Einlaufbereich beim Übergang in einen Dichtsitz des Düsenkörpers der Einspritzdüse kantenlos abzu­ runden. Durch die abgerundete Ausformung des Einlaufbereichs wird der Umlenkwinkel der Kraftstoffströmung durch den Düsen­ körper beim Übergang von der Schaftbohrung in den Spritzloch­ kanal verkleinert, wodurch sich eine Erhöhung des Durchfluß­ beiwertes durch den Spritzlochkanal und damit eine vergrößer­ te Kraftstoffmenge durch das Spritzloch ergeben.

Um die Einlaufkante des Spritzlochkanals im Düsenkörper, der herkömmlicherweise mittels einer Bohroperation einge­ bracht wird, abzurunden, wird im allgemeinen eine Nachbear­ beitung des Düsenkörpers mittels hydroerosivem Schleifens durchgeführt. Hierbei durchströmt ein abrasive Teilchen ent­ haltendes Medium den Düsenkörper, um Material von der Ein­ laufkante des Spritzlochkanals abzutragen und so diese Ein­ laufkante abzurunden. Bei den im Stand der Technik verwende­ ten hydroerosiven Schleifverfahren ist jedoch dem möglichen Verrundungsgrad der Einlaufkanten des Spritzlochkanals Gren­ zen gesetzt. Insbesondere besteht die Gefahr, daß eine fur­ chenartige Kanalbildung im Spritzloch auftritt, wenn Verrun­ dungsgrade von mehr als 20% ausgeführt werden. Weiterhin ist es mit der herkömmlichen hydroerosiven Schleiftechnik schwie­ rig, gezielt Material im Düsenkörper an den Stellen größter Kraftstoffumlenkung und damit geringstem Durchflußbeiwert, also insbesondere an der Einlaufkante des Spritzkanals, abzu­ tragen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten in einem Düsenkörper bereitzustellen, die es ermöglichen, durch hohe Verrundungs­ grade und gezieltes Materialabtragen den Durchflußbeiwert durch den Düsenkörper zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausfüh­ rungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten in einem Düsenkörper zeichnen sich durch einen Strömungskörper aus, der in einen Düsenkörper eingebracht wird, um den Strö­ mungsverlauf eines abrasive Teilchen enthaltenden Mediums durch den Düsenkörper so festzulegen, daß durch gezieltes Ab­ tragen von Material an einer Bohrungskante ein vorbestimmter Verrundungsgrad erzielt wird. Hierdurch ist es möglich, ge­ zielt Material an den Stellen stärkster Umlenkung der Kraft­ stoffströmung im Düsenkörper abzutragen und darüber hinaus hohe Verrundungsgrade zu erzielen, womit sich eine deutliche Erhöhung des Durchflußbeiwertes des Kraftstoffs, insbesonde­ re in einem Spritzloch des Düsenkörpers, erzielen läßt.

Der verbesserte Durchflußbeiwert der Kraftstoffströmung sorgt für eine erhöhte Geschwindigkeit des aus dem Spritz­ lochkanal in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoff s und für eine erhöhte Einspritzmenge. Durch die Verminderung der Kraftstoffumlenkung werden weiterhin auch Verwirbelungen in der Kraftstoffströmung soweit wie möglich vermieden, so daß der Einspritzstrahl ein optimiertes Strömungsprofil erhält. Durch den in bezug auf Geschwindigkeit, Einspritzvolumen und Strömungsprofil optimierter Einspritzstrahl wird eine verbes­ serte Kraftstoffaufbereitung in der Brennkammer des Verbren­ nungsmotors erreicht, wodurch sich die Qualität des Verbren­ nungsverlaufes wesentlich steigern und Verbesserungen bei den Emissionswerten, den Verbrennungsgeräuschen, der Motorlei­ stung und dem Kraftstoffverbrauch erzielen lassen. Durch die erfindungsgemäße Technik zum hydroerosiven Runden lassen sich insbesondere auch bei Lochdüsen für den Schrägeinbau in Ver­ brennungsmotoren Verbesserungen bei der Einspritzstrahlcha­ rakteristik erzielen, da durch die verstärkte Abrundung der Einlaufkanten von Spritzlöchern mit größerem Höhenwinkel der Durchflußbeiwert von Kraftstoff in diesen Spritzlöchern an den von Spritzlöchern mit kleinerem Höhenwinkel angepaßt wer­ den kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Düsenkörpers einer Ein­ spritzdüse zum senkrechten Einbau in einen Verbrennungsmotor, bei der eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen hy­ droerosiven Schleiftechnik eingesetzt wird,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Düsenkörpers einer Ein­ spritzdüse zum senkrechten Einbau in einen Verbrennungsmotor, bei der eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen hy­ droerosiven Schleiftechnik eingesetzt wird, und

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Düsenkörpers einer Ein­ spritzdüse zum Schrägeinbau in einem Verbrennungsmotor, bei der die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydroero­ siven Schleiftechnik eingesetzt wird.

Fig. 1 zeigt den für die Erfindung wesentlichen Teil ei­ nes Düsenkörpers. Dieser Düsenkörper besteht aus einem im we­ sentlichen zylindrischen Schaftbereich 11 und einem an diesen Schaftbereich 11 angesetzten, in der Spitze abgerundeten Kup­ penbereich 12, der in einer Brennkammer eines Verbrennungsmo­ tors angeordnet werden kann. Im Schaftbereich 11 des Düsen­ körpers 1 ist eine im wesentlichen zylindrische Schaftbohrung 13 ausgeführt, an die sich über eine Absetzkante 14 im Kup­ penbereich 12 ein konisch zulaufender Sitzkonus 15 an­ schließt. Dieser Sitzkonus 15 endet in einem Sackloch 16. Die Schaftbohrung 13 im Düsenkörper 1 dient zur Aufnahme einer Düsennadel, die mit einem Sitzkegel auf dem Sitzkonus 15 im Düsenkörper aufsitzen kann.

Im Kuppenbereich 12 des Düsenkörpers 1 ist seitlich wei­ terhin ein Spritzlochkanal 3 ausgeführt. Über diesen Spritz­ lochkanal 3 wird bei geöffneter Düsennadel der in den Düsen­ körper 1 eingespeiste Kraftstoff in die Brennkammer des Ver­ brennungsmotors abgegeben. Im allgemeinen sind im Kuppenbe­ reich 12 des Düsenkörpers 1 jedoch mehrere Spritzlochkanäle verteilt ausgeführt, um je nach Brennkammerform eine Kraft­ stoffeinspritzung mit einem definierten Spritzlochkegelwinkel zu erzielen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Düsenkörper, der für einen zentralen senkrechten Einbau in den Verbrennungsmotor vorgesehen ist, sind bei einer Ausführung mit mehreren Spritzlochkanälen diese vorzugsweise symmetrisch mit dem gleichen Höhenwinkel um den Kuppenbereich des Düsenkörpers verteilt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Düsenkörper 1 beträgt der Spritzlochkegelwinkel, unter dem der Kraftstoff tangential aus dem Spritzlochkanal 3 in die Brennkammer eingespritzt wird, 150°. Da der Konuswinkel, mit dem der Sitzkonus 15 im Kuppenbereich 12 des Düsenkörpers 1 zusammenläuft, 60° ist, muß der Kraftstoffstrom zur Einspritzung in die Brennkammer des Verbrennungsmotors, um bei geöffneter Düsennadel über die Schaftbohrung 11 und den Sitzkonus 15 in den Spritzlochkanal 3 einströmen zu können, um 105° umgelenkt werden. Die erfor­ derliche scharfe Umlenkung des Kraftstoffstroms führt zu ei­ ner Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und damit zu einer ungewünschten Drosselung des in die Brennkammer einge­ spritzten Kraftstoffstrahls. Weiterhin treten beim Umlenken des Kraftstoffs auch Verwirbelungen auf, die zu Einspritzver­ lusten sowie einer Änderung der Einspritzstrahlcharakteristik und damit einer Beeinträchtigung des Verbrennungsverlaufes führen. Um einen erhöhten Kraftstoff-Durchflußbeiwert und da­ mit eine verbesserte Einspritzstrahlcharakteristik zu errei­ chen, wird der herkömmlicherweise durch Bohren in den Kuppen­ bereich 11 des Düsenkörpers 1 eingebrachte Spritzlochkanal 3 an einer Einlaufkante 31 abgerundet. Zum Abrunden wird eine hydroerosive Schleiftechnik eingesetzt. Hierbei wird der Dü­ senkörper 1 von einem abrasive Teilchen enthaltenden Medium durchströmt, das Material von der Einlaufkante 31 des Spritz­ lochkanals 3 abträgt und diese Einlaufkante so abrunden.

Um einen hohen Verrundungsgrad und ein gezieltes Mate­ rialabtragen an der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 im Düsenkörper 1 zu ermöglichen, wird, wie in Fig. 1 gezeigt, bei der erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleiftechnik mit einem abrasive Teilchen enthaltenen Medium ein düsennadelähn­ licher Strömungskörper 2 in die Schaftbohrung 13 des Düsen­ körpers 1 eingebracht. Dieser düsennadelähnliche Strömungs­ körper 2 weist einen Schaft 21 und eine sich an den Schaft 21 anschließende nadelförmige Spitze 22 auf. Die nadelförmige Spitze 22 trägt dabei an ihrem unteren Ende einen abgeflach­ ten Sitzkegel 23, der im wesentlichen den gleichen Öffnungs­ winkel wie der Sitzkonus 15 im Kuppenbereich 12 des Düsenkör­ pers 1 besitzt. Im eingeschobenen Zustand sitzt der Strö­ mungskörper 2 mit dem Sitzkegel 23 auf dem Sitzkonus 15 im Düsenkörper 1 auf, wobei der Sitzkegel 23, wie Fig. 1 zeigt, mit seiner oberen Kegelkante den Einlaufbereich 31 des Spritzlochkanals 3 teilweise abdeckt. Der Strömungskörper 2 ist weiterhin so ausgelegt, daß zwischen einem an den Sitzke­ gel 23 anschließenden Abschnitt der Spitze 22 und der Innen­ wandung des Düsenkörpers bzw. zwischen dem Schaft 21 und die­ ser Innenwandung ein ausreichend großer Strömungsspalt bleibt, der im wesentlichen ein ungehindertes Durchströmen des abrasive Teilchen enthaltenen Mediums ermöglicht.

Durch das Anordnen des düsennadelähnlichen Strömungskör­ pers 2 im Düsenkörper 1 ist es möglich, beim hydroerosiven Schleifen im wesentlichen den Strömungsverlauf von Kraftstoff durch den Düsenkörper 1 bei geöffneter Düsennadel für das ab­ rasive Teilchen enthaltende Medium nachzubilden. Hierdurch ist es möglich, gezielt Material an den Stellen im Düsenkör­ per 1 abzutragen, an denen die stärkste Kraftstoffumlenkung und damit der größte Geschwindigkeitsverlust auftritt, d. h. also vor allem an der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3. Durch die in Fig. 1 gezeigte Abdeckung des unteren Bereichs des Spritzlochkanals 3 durch den Sitzkegel 23 des Strömungs­ körpers 2 beim hydroerosiven Schleifen wird weiterhin er­ reicht, daß bevorzugt oder ausschließlich der obere Bereich der Einlaufkante 31 abgerundet wird, wodurch sich gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren ein deutlich hö­ herer Verrundungsgrad erzielen. Eine verbesserte Abrundung gerade dieses oberen Bereiches der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 ermöglicht eine deutliche Erhöhung des Durchflußbeiwertes des Kraftstoffs und damit der Kraftstoff­ geschwindigkeit im Spritzlochkanal.

Der in Fig. 2 dargestellte Teil des Düsenkörpers 1 ei­ nes Kraftstoffeinspritzventils weist mindestens ein Spritz­ loch 3 auf, dessen Einlaufkante 31 an ihrem oberen Bereich einen Kantenradius R aufweist, der vorzugsweise zwischen dem 1,5-fachen und 5-fachen des Lochdurchmessers D des Spritz­ lochs 3 liegt, wodurch ein gutes Einspritzverhalten erzielt wird.

Um beim hydroerosiven Schleifen insbesondere Material von diesem oberen Bereich der Einlaufkante 31 des Spritzloch­ kanals 3 abzutragen, sind gemäß der in Fig. 2 gezeigten Aus­ führungsform im Abschnitt der nadelförmigen Spitze 22 ober­ halb des Sitzkegels 23 Leitnuten 25 ausgeführt, die in Rich­ tung der Strömung des die abrasiven Teilchen enthaltenden Me­ diums ausgerichtet sind und den Einlaufbereichen der Spritz­ lochkanäle im Düsenkörper 1 gegenüberliegen. Durch diese Leitnut 25 ist es möglich, daß die abrasiven Teilchen enthal­ tenen Medium gezielt auf den oberen Bereich der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 zu lenken und so eine verstärkte Verrundung in diesem Bereich zu bewirken, der dann zu einem erhöhten Kraftstoff-Durchflußbeiwert und damit zu einer grö­ ßeren Kraftstoffgeschwindigkeit führt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen hy­ droerosiven Schleiftechnik für einen Düsenkörper, der bei ei­ ner schräg in den Verbrennungsmotor einzubauenden Einspritz­ düse verwendet wird. Bei diesem Düsenkörper 1 sind Spritz­ lochkanäle 3, 4 zum Erzielen des gewünschten Spritzlochkegel­ winkels unter verschiedenen Höhenwinkeln im Kuppenbereich 12 des Düsenkörpers 1 eingebracht. Um gezielt die Einlaufkanten 31, 41 der Spritzlochkanäle 3, 4 bei dieser Düsenkörperaus­ führung abrunden zu können, ist eine Kegelkante 240 an der Spitze 220 des Strömungskörpers 2 ebenfalls schräg ausge­ führt, so daß der Sitzkegel 230 bei den im Düsenkörper 1 ein­ gebrachten Spritzlochkanälen 3, 4 Teile des Einlaufbereiches abdeckt, um ein Abrunden der Einlaufkanten 31, 41 insbesonde­ re im oberen Bereich zu ermöglichen. Durch eine geeignete An­ ordnung des Sitzkegels 230 und der Kegelkante 240 kann dabei die Abdeckung der Einlaufbereiche in den verschiedenen Spritzlochkanälen so vorgenommen werden, daß gezielt eine stärkere Verrundung der Einlaufkante 41 des Spritzlochkanals 4 mit dem größeren Höhenwinkel im Vergleich zur Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 mit kleinerem Höhenwinkel vorgenom­ men wird. Hierdurch läßt sich eine verbesserte Einzelstrahl­ mengenverteilung aus den Spritzlöchern und damit eine Senkung der Toleranzempfindlichkeit erreichen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform können - ähnlich wie in Fig. 2 - auch Leitnuten an der Spitze 220 des Strömungskörpers 2 angebracht werden, um den gezielten Mate­ rialabtrag an den Einlaufkanten 31, 41 der Spritzlochkanäle 3, 4 zu verbessern.

Die im erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleifverfahren eingesetzten Strömungskörper werden vorzugsweise aus einem Material mit einer höheren Härte als Stahl, z. B. Hartmetall oder Keramik, hergestellt, um den Verschleiß der Strömungs­ körper so gering wie möglich zu halten.

Claims (9)

1. Verfahren zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten in einem Düsenkörper (1) bei dem der Düsenkörper von einem abra­ sive Teilchen enthaltenden Medium zum Abtragen von Material an der Bohrungskante (31, 41) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverlauf des die abrasiven Teilchen enthal­ tenden Mediums durch den Düsenkörper (1) von wenigstens einem Strömungskörper (2), der in den Düsenkörper eingebracht wird, festgelegt wird, um durch gezieltes Abtragen von Material an der Bohrungskante (31, 41) eine vorbestimmte Abrundungsform zu erzielen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Düsenkörper (1) in einer Einspritzdüse eingesetzt wird und der Strömungskörper (2) so ausgestaltet ist, daß das abrasive Teilchen enthalten­ de Medium im wesentlichen den Strömungsverlauf von Kraftstoff durch den Düsenkörper im Schaltzustand einer Einspritzdüse mit einer geöffneten Düsennadel nachbildet.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Düsenkörper (1) einen Kuppenbereich (12) mit einem Sitzkonus (15) für ei­ ne Düsennadel aufweist, und in den Sitzkonus (15) wenigstens ein Spritzlochkanal (3, 4) eingebracht ist, wobei der Strö­ mungskörper (2) so ausgestaltet ist, daß das abrasive Teil­ chen enthaltende Medium beim Durchströmen durch den Düsenkör­ per im wesentlichen Material von einem oberen Bereich einer Einlaufkante (31, 41) des Spritzlochkanals (3, 4) abträgt.

4. Vorrichtung zum hydroerosiven Runden von Bohrungskanten in einem Düsenkörper (1), wobei ein abrasive Teilchen enthal­ tenes Medium in den Düsenkörper zum Abtragen von Material an der Bohrungskante (31, 41) des Düsenkörpers (1) eingespeist wird, gekennzeichnet durch einen Strömungskörper (2) der in den Düsenkörper (1) eingebracht ist, um den Strömungsverlauf des abrasive Teil­ chen enthaltenen Mediums durch den Düsenkörper (1) festzule­ gen, um durch gezieltes Abtragen von Material an der Boh­ rungskante (31, 41) eine vorbestimmte Abrundungsform zu er­ zielen.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Strömungskörper (2) im wesentlichen der Form einer für den Düsenkörper (1) vorgesehenen Düsennadel nachgebildet ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei im Düsenkör­ per (1) einen Kuppenbereich mit einem Sitzkonus (15) ausge­ bildet ist, und in dem Sitzkonus (15) wenigstens ein Spritz­ loch (3, 4) eingebracht ist, wobei der Strömungskörper (2) so ausgebildet ist, daß ein unterer Einlaufbereich des Spritz­ lochkanals (3, 4) abgedeckt ist, so daß das abrasive Teilchen enthaltende Medium beim Durchströmen durch den Düsenkörper (1) im wesentlichen Material von einem oberen Bereich einer Einlaufkante (31, 41) des Spritzlochkanals (3, 4) abträgt.

7. Düsenkörper gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Strömungskörper mit wenigstens einer Leitnut (25) versehen ist, um das abrasive Teilchen enthaltene Medium gezielt an einen vorbestimmten Bereich der Einlaufkante (31, 41) des Spritzlochkanals (3, 4) zu lenken.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Strömungskörper (2) aus einem Werkstoff mit einer größeren Härte als Stahl hergestellt ist.

9. Düsenkörper (1) eines Kraftstoffeinspritzventils mit mindestens einem Spritzloch (3, 4), dessen Einlaufkante (31, 41) an ihrem oberen Bereich einen Kantenradius (R) auf­ weist, der zwischen dem 1,5-fachen und 5-fachen des Loch­ durchmessers (D) des Spritzlochs (3, 4) liegt.