DE4030320C2 - Verfahren und Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden eines Wirbelelementes mit dem Düsenelement einer Kraftstoff-Einspritzdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden eines Wirbelelementes mit dem Düsenelement einer Kraftstoff-Einspritzdüse der im Patentanspruch angegebenen Gattung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrich­ tung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Aus der JP-A-58-140508 ist ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, in dessen die zentrale Spritz­ bohrung aufweisendem hohlzylindrischen Düsenelement ein Wirbelelement fixiert ist, das den bei geöffnetem Ventil­ glied ausgespritzten Kraftstoff in eine Wirbelbewegung ver­ setzt. Der Innenraum des hohlzylindrischen Düsenelementes ist von einer konischen Stirnfläche begrenzt, die in die zentrale Spritzöffnung übergeht. Beim Zusammenbau dieser Einspritzdüse wird das eine Zentralbohrung aufweisende Wirbelelement in den Innenraum des Düsenelementes so weit eingeschoben, daß sich die konische Stirnfläche des Wirbel­ elementes gegen die konische Innenfläche des Düsenelementes anlegt. Anschließend wird eine Gewindebuchse in den mit einem Innengewinde versehenen Teil des Düsenelementes so weit eingeschraubt, daß ihre stirnseitige Endkante gegen eine Ringschulter des Düsenelementes andrückt. Durch die Schraubbewegung beim Festziehen der Gewindebuchse kann das Wirbelelement mitgenommen und in eine dezentrierte Lage gegenüber der Mittelachse gebracht werden, was einen dichten Sitz des als Kugel ausgebildeten Ventilgliedes beeinträch­ tigt. Durch eine auch nur geringfügig außermittige Position des Wirbelelementes kann ferner dem austretenden Kraftstoff­ strahl ein einseitiger Drall und damit eine unerwünschte Ab­ lenkung erteilt werden. Schließlich ergeben sich durch eine ungenaue Positionierung des Wirbelelementes Verschleißer­ scheinungen an einem die Ventilkugel betätigenden Steuerstab im Langzeitbetrieb.

Aus der GB-A-2 198 589 ist ferner ein Verfahren zum Zu­ sammenbau eines Kraftstoff-Einspritzventils bekannt, nach dem ein die Magnetspule umgebendes magnetisches Gehäuse an seinem oberen Rand mit einem in das Gehäuse eingesetzten magnetischen Kern durch plastische Materialumformung dauer­ haft miteinander verbunden werden. Für den Verbindungsvor­ gang werden das hohlzylindrische Gehäuse und der darin ein­ gesetzte Kern auf einer genau bearbeiteten massiven Säule aufgesetzt, welche Teil einer Matrize ist. Ein hohlzylin­ drisches Preßwerkzeug mit einer abgesetzten Randkante wird von einem Preßstempel niedergedrückt und erzeugt in dem oberen Rand des Gehäuses unmittelbar neben dem angrenzenden Kern eine Ringnut, wobei Material aus dem Gehäuse in eine zweifache Umfangsnut des Kerns eingedrückt wird. Dieses Ver­ bindungsverfahren läßt sich jedoch nicht ohne weiteres bei der Fixierung eines Wirbelelementes im Innenraum eines Dü­ senelementes anwenden, weil sich Probleme hinsichtlich der genauen Zentrierung des Wirbelelementes im Düsenelement vor und während des Umformvorganges ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der jeweils angegebenen Gattung aufzuzeigen, die eine genau zentrierte dauerhafte Fixierung des Wirbelelemen­ tes im Innenraum des Düsenelementes gewährleisten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch angegebene Verfahren sowie durch die Merkmale des Vorrich­ tungsanspruchs 4 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird das in den Innenraum des äußeren Düsenelementes mit seitlichem Spiel lose eingesetzte Wirbel­ element durch Einführen des Zentrierstiftes in die Innenboh­ rung des Wirbelelementes sowie durch die Abstützung des ent­ sprechend geformten Stiftendes in der zentralen Spritzöffnung des Düsenelementes genau zentriert. Um diese Zentrie­ rung nicht durch die Einwirkung der relativ hohen Preßkräfte bei dem anschließenden Umformvorgang zu gefährden, wird fer­ ner das Wirbelelement vor und während des Umformvorganges mit einer axialen Kraft des Niederhalters beaufschlagt und fest gegen den Boden des Düsenelementes gedrückt. Erst da­ nach erfolgt der eigentliche Preßvorgang, wobei der Preß­ stempel auf die Oberfläche des Wirbelelementes in deren Außenbereich einwirkt und durch Materialverdrängung eine in Radialrichtung dauerhaft wirkende Druckkraft erzeugt, die eine sichere und genaue Festlegung des Wirbelelementes im Düsenelement gewährleistet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 verschiedene aufeinanderfolgende Vorgänge beim Herstellen einer Preßverbindung;

Fig. 2 eine Preßvorrichtung zur Durchführung der in Fig. 1 gezeigten Vorgänge;

Fig. 3 ein Kraftstoffeinspritzventil im Längs­ schnitt;

Fig. 4 verschiedene aufeinanderfolgende Vorgänge bei der Herstellung einer anderen Preßver­ bindung;

Fig. 5 Darstellungen der konzentrischen Posi­ tionierung eines Wirbelelements in einem Düsenelement gemäß der ersten Ausführung vor und nach dem Zusammenbau der Einzel­ elemente, wobei in (a) und (b) jeweils ein einzelnes Element, in (c) ein zusammenge­ setztes Bauteil und in (d) vergleichende Kurven gezeigt sind;

Fig. 6 vergleichende Kurvendiagramme für die kon­ zentrische Positionierung eines Wirbel­ elementes in einem Düsenelement gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 7 einen weiteren Verbindungsvorgang.

Das in Fig. 3 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 20 ent­ hält ein Gehäuse 21, in dem eine Magnetspule 27, ein hohl­ zylindrischer Jochkern 22 und ein Ventilglied 23 angeordnet sind.

Das Ventilglied 23 besitzt eine Führungshülse 23c an seinem napfförmigen Oberteil 23a und am unteren Ende eine Kugel 23b. Die Führungshülse 23c umgibt eine Rückstellfeder 33 und ragt in den Innenraum des Kerns 22 hinein. Die Kraft der Rückstellfeder 33 wird mittels einer Stellschraube 28 ein­ gestellt, und das Ventil preßt die Kugel 23b gegen einen Ven­ tilsitz 10c eines Düsenelements 10.

Wenn die Magnetspule 27 erregt wird, bilden der Kern 22, das Gehäuse 21 und der Oberteil 23a des Ventilglieds 23 einen Magnetkreis, durch den das Ventilglied 23 mit seiner Ventil­ kugel 23b gegen die Kraft der Rückstellfeder 33 angezogen wird. Dadurch wird die Ventilkugel 23b vom Ventilsitz 10c abgehoben und eine in der Düse 10 vorgesehene Spritzöffnung 11 ge­ öffnet, durch die Kraftstoff in den Motorzylinder einge­ spritzt wird.

Beim Entregen der Spule 27 wird das Ventilglied 23 durch die Kraft der Feder 33 gegen den Ventilsitz 10c gedrückt und der Kraftstofffluß unterbrochen. Die Schließkraft der Feder 33 wird so eingestellt, daß sowohl die Menge des eingespritzten Kraftstoffs als auch die Einspritzdauer und der Einspritz­ zeitpunkt vorgegebene Werte annehmen.

Im Inneren des Düsenelements 10 wird das Wirbelelement 12 oberhalb des Ventilsitzes 10c angeordnet. Das Wirbelelement 12 weist ein Teil mit kreisförmiger Gestalt auf und besitzt zwischen seiner Umfangsfläche und einem Innenwandbereich des Mundstücks 10 einen Kraftstoffkanal 24 und verleiht dem durchströmenden Kraftstoff einen Drehimpuls.

Ein Auslaßteil des Kraftstoffkanals 24 ist tangential zum Innenraum des Wirbelelementes 12 ausgerichtet, so daß der bei geöffnetem Ventilglied in den Innenraum des Wirbelele­ mentes 12 strömende Kraftstoff verwirbelt und mit einer Drallbewegung durch die Spritzöffnung 11 ausgespritzt wird.

Im Innenraum 12a des Wirbelelementes 12 wird die Ventilkugel 23b geführt. Zwischen dem Gehäuse 20 und dem Düsenelement 10 ist ein Anschlagelement 25 eingesetzt, das die Bewegung des Ventilglieds 23 begrenzt.

Die Bezugszeichen 29, 30, 31 und 32 bezeichnen jeweils ein Dichtungselement.

Zum Zusammenbau des Düsenelements 10 wird bei dieser Aus­ führungsform zunächst das Wirbelelement 12 in den Innenraum des Düsenelements 10 eingesetzt, wobei zwischen der Innen­ wand 10a und der Außenwand des Wirbelelementes 12 ein Ringspalt G verbleibt (Fig. 1I, 1II). Danach wird in den Innenraum 12a des Wirbelelementes 12 das Ende 14′ eines Zentrierstifts 14 bis zum Kontakt mit dem Ventilsitz 10c des Düsenelements 10 eingeschoben. Der Zentrierstift 14 hat im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Innenraum 12a des Wirbelelemen­ tes 12.

Da das Stiftende 14′ abgerundet ist, kann der Zentrierstift 14 gleichförmig in den Innenraum des Wirbelelements einge­ schoben werden. Das Stiftende 14′ kann auch konisch ausge­ bildet sein.

Wenn der Zentrierstift 14 mit dem konischen Ventilsitz 10c der Bohrung 10a in Kontakt gelangt, ist das Wirbelelement 12 vorläufig kon­ zentrisch im Düsenelement 10 ausgerichtet (vgl. Fig. 1).

Wenn der Zentrierstift 14 in das Wirbelelement 12a einge­ schoben ist, wird das Wirbelelement 12 auf dem Boden 10b des Düsenelements 10 durch einen Niederhalter 15 festgelegt. Anschließend wird ein konzentrisch zum Niederhalter 15 angeordneter Preßstempel 16 abgesenkt, dessen ringförmiger Endansatz 16a stirnseitig in das Wirbelelement 12 im Außenbereich A eindringt und das dabei nach radial außen gedrückte Material gegen die Innenwand 10a des Düsenelements 10 preßt.

Die Presse nach Fig. 2 enthält eine Werkstückaufnahme in Form einer Matrize 35, in welcher das Düsenelement 10 zum Wirbelelement 12 positioniert wird. An einem Stößel 36 sind der an einer Kolbenstange 16b befestigte Zentrierstift 14, der an einer Druckfeder 34 ab­ gestützte Niederhalter 15, der Stempel 16, eine Druckplatte 37 und eine Stempelhalterung 38 befestigt. Der Niederhalter 15 und der Stempel 16 sind konzentrisch um den Zentrierstift 14 angeordnet.

Wenn das Wirbelelement 12 konzentrisch in das Düsenelement 10 eingesetzt ist, wird der Zentrierstift 14 mittels der Kolbenstange 16b abgesenkt und in das Wirbelelement 12a ein­ geschoben, bis das abgerundete Stiftende 14′ mit dem im Düsenelement 10 ausgebildeten Ventilsitz 10c in Kontakt gelangt. Nach dieser Zentrierung wird der Stößel 36 abgesenkt. Dabei sichert der Niederhalter 15 aufgrund der Federkraft der Druckfeder 34 das Wirbelelement 12 im Düsenelement 10. Eine weitere Absenkung des Stößels 36 verschiebt den Stempel 16, dessen Endansatz 16a vertikal gegen die Oberseite des Wirbelelementes 12 im äußeren Randbereich gepreßt wird. Im Preßbereich A erfolgt eine plastische Verformung, so daß das Wirbelelement 12 unter der Wirkung von auf die Innenwand des Düsenelements 10 wirkenden bleibenden Druckkräften im Düsenelement 10 fixiert wird. Nach diesem Preßvorgang wird die Stange 16b angehoben und der Zentrierstift 14 aus dem Wirbelelement 12 herausge­ zogen. Nach einem Anheben des Stempels 36 kann das Düsenelement aus der Preßvorrichtung herausgenommen werden.

In Fig. 5d sind auf der Abszisse die Anzahl der untersuchten Düsenelemente und auf der Ordinate der Zentriergrad aufgetra­ gen. Die die Punkte verbindende Kurve zeigt die Summe (ΦC1 + ΦC2) des Zentriergrades ΦC1 des Ventilsitzes 10c gegenüber dem Innendurchmesser des Düsenelements 10 und des Zen­ triergrades ΦC2 des Innenraums des Wirbelelements 12 in bezug auf den Außendurchmesser des Wirbelelementes 12. Die durch die Kreise definierte Kurve zeigt den Zentriergrad ΦC des Wirbelelement-Innenraumes 12a in bezug auf den Ventil­ sitz 10c nach der Fixierung des Wirbelelementes 12 im Düsen­ element 10.

Ein Vergleich beider Kurven zeigt, daß der Zentriergrad ΦC nach der Fixierung wesentlich besser ist, wobei der Mittel­ wert X2 des Zentriergrades der Summe ΦC1 + ΦC2 21.8 µm be­ trägt, während der Mittelwert X1 des Zentriergrades ΦC nur ein Viertel dieses Wertes, d. h. 5.8 µm, beträgt.

Fig. 6 zeigt einen Vergleich zwischen einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung (untere Kurve) und einer Verbindung zwischen Wirbelelement und Düsenelement durch plastische Ver­ formung ohne Zentrierstift 14. Der Mittelwert X3 des Zen­ triergrades des Ventilsitzes gegenüber dem Innenraum des Wirbelelements liegt bei 18.5 µm, während der Mittelwert X1 des Zentriergrades der erfindungsgemäßen Fixierung 5.8 µm beträgt. Der Zentriergrad kann somit gegenüber dem Ver­ gleichsbeispiel auf ungefähr 1/3 abgesenkt werden.

Durch die genauere Zentrierung des Wirbelelements werden der Kontakt der Ventilkugel 23b auf dem Ventilsitz 10c verbes­ sert und Leckagen verhindert. Ferner ergibt sich bei geöff­ netem Ventilglied eine konstante Spaltweite des Ringspaltes G, was die gleichförmige Einspritzung begünstigt.

Schließlich wird das Ventilglied 23 im Wirbelelement 12 gleichmäßiger geführt, so daß sich der Abrieb vermindert. Schließlich kann das Eindringen von Ferritpulver zwischen den Ventilsitz und die Ventilkugel verhindert werden, so daß sich die Zuverlässigkeit der Einspritzdüse erhöht.

Die in Fig. 4 dargestellten Vorgänge werden in einer Preß­ vorrichtung nach Fig. 2 durchgeführt.

Der Innendurchmesser 42a des zylindrischen Bauteils 42 als Wirbelelement ist hier größer als der Durchmesser der Spritzbohrung 41 im äußeren Bauteil 40 als Düsenelement.

Zur Zentrierung der beiden Bauteile 40 und 42 wird der Zen­ trierstift 14 durch den Innenraum 42a des inneren Bauteils 42 in die Bohrung 41 im Boden 40b des äußeren Bauteils 40 eingeschoben. Zu diesem Zweck weist der Zentrierstift 14 einen Abschnitt 14a mit etwa dem Innendurchmesser 42a und einen Endzapfen 14b mit dem Durchmesser der Bohrung 41 auf, der durch einen Übergang an den Abschnitt 14a anschließt.

Das Ende 14′′ des Zentrierstifts 14 ist konisch.

Bei der Ausführung nach Fig. 7 ist der Boden 70b des äußeren zylindrischen Bauteils 70 konisch ausgebildet. Ein inneres zylindrisches Bauteil 72 wird in das äußere Bauteil 70 eingesetzt, wobei die konische Fläche 70b mit dem Bauteil 72 in Kontakt gebracht wird. Eine Durchgangsbohrung 72a im inneren Bauteil 72 wird auf die konische Bodenfläche 70b zentriert, woraufhin die Fixierung dieser Bauteile 70, 72 durch plastische Verformung erfolgt.

Wenn das innere Bauteil 72 im Innenraum 70a des äußeren Bauteils 70 unter Sicherstellung des Ringspaltes G mit seinem Ende auf dem konischen Boden 70b des äußeren Bauteils 70 aufliegt, wird der Endteil 14′ des Zentrierstifts 14 in die Durchgangsbohrung 72a bis zum Kontakt auf dem konischen Boden 70b eingeschoben, wodurch der innere Bauteil 72 im äußeren Bauteil 70 genau zentriert wird.

Als Material für das äußere zylindrische Bauteil 70 wird Fe-Cr-C (Härte HR_C = 60) und als Material für das innere zylindrische Bauteil 72 Fe-Ni (Härte HR_B = 80) verwendet.

Wie oben erwähnt, ist das Material des inneren zylindrischen Bauteils 72 weicher als dasjenige des äußeren zylindrischen Bauteils 70. Wenn beim Zentrierungsvorgang die äußere Um­ fangsfläche des inneren zylindrischen Bauteils 72 zur koni­ schen Bodenfläche 70b des äußeren zylindrischen Bauteils 70 exzentrisch versetzt ist, wird die Zentrierung unter Ver­ wendung des Zentrierstifts 14 ausgeführt.

Wenn nun ein Ende des äußeren Umfangsbereichs des inneren zylindrischen Bauteils 72 beim Schieben gegen die konische Bodenfläche 70b des äußeren zylindrischen Bauteils 70 teil­ weise verformt wird, kann die daraus sich ergebende Ver­ schiebung bei der Zentrierung durch den Ringspalt G ab­ sorbiert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum formschlüssigen Verbinden eines Wirbelele­ mentes mit einem Düsenelement einer Kraftstoff-Einspritz­ düse, bei welchem

• - das äußere hohlzylindrische Düsenelement (10; 40) in einer genau vorgegebenen Position festgelegt wird und
• - das innere Wirbelelement (12; 42) unter Ausbildung eines radialen Ringspaltes (G) auf den mit einer zentralen Spritzöffnung versehenen Boden (10b; 40b) des Düsenelements (10; 40) positioniert sowie in einer vorbestimmten Lage arretiert wird,

dadurch gekennzeichnet,
daß durch Einführen eines zumindest teilweise in die Spritzöffnung des Düsenelementes (10; 40) eingreifenden Zentrierstiftes (14) das Wirbelelement (12; 42) im Inneren des Düsenelementes (10; 40) achszentriert wird,
daß das Wirbelelement (12; 42) durch eine in Achsrichtung wirkende Kraft gegen den Boden (10b; 40b) des Düsenelementes (10; 40) gedrückt wird, und
daß anschließend eine Ringnut in den oberen Außenrand des Wirbelelements (12; 42) eingepreßt und dabei durch plastische Verformung Material gegen die Innenwandung des Düsenelementes (10; 40) gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierstift (14) mit einem abgerundeten Ende (14′) in eine einen Ventilsitz (10c) bildende konische Bohrung der Spritzöffnung (10c, 11) im Boden (10b) des Düsenelements (10) eingedrückt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierstift (14) mit einem schmaleren Endzapfen (14b) in die als zylindrische Spritzbohrung (41) ausgebildete Spritzöffnung des Düsen­ elements (40) eingeschoben wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

• - eine ortsfeste Matrize (35) zur lagegenauen Aufnahme und Halterung des äußeren Düsenelements (10; 40),
• - einen axial verschiebbaren Zentrierstift (14) zur Zen­ trierung des Wirbelelements (12; 42) im zylindrischen Innenraum des äußeren Düsenelements (10; 40), der in die Innenbohrung des Wirbelelements (12; 42) im Paßsitz ein­ schiebbar ist und ein in die Spritzöffnung des Düsenelements (10; 40) eingreifendes Ende aufweist,
• - einen axial mit einer Preßkraft beaufschlagbaren, an einem Pressenstößel (36) befestigten Preßstempel (16) zum Einpressen einer Ringnut in den oberen Rand des Wirbelelements (12; 42) und durch einen den Zentrierstift (14) umgebenden hohlzylindrischen Niederhalter (15) ür das Wirbelelement (12; 42), der über eine Druckfeder (34) am Pressenstößel (36) abgestützt und im Pressenstößel axial beweglich geführt ist.