-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe
und insbesondere auf eine Hochdruck-Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, die
einen Ventilsitz beinhaltet, der eine Reihe von Merkmalen zur Minimierung
der Bildung von Brennkammerablagerungen am Ventilsitz aufweist.
Diese Erfindung bezieht sich auch auf die Anordnung und Herstellung
eines Brennstoffeinspritzventilsitzes.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Brennstoffeinspritzventile
werden herkömmlicherweise
verwendet, um einen dosierten Brennstoffstrom in eine Kraftmaschine
mit innerer Verbrennung sicherzustellen. Im Fall eines Direkteinspritzsystems
erstreckt sich ein Hochdruckeinspritzventil in die Brennkammer hinein.
Infolgedessen neigt eine in Strömungsrichtung
dahinter angeordnete Stirnfläche
des Brennstoffeinspritzventilsitzes dazu, Brennkammerablagerungen
zu bilden. Es ist wünschenswert,
diese Bildung von Ablagerungen zu vermeiden, um den Betrieb, für den das
Brennstoffeinspritzventil vorgesehen ist, aufrechtzuerhalten.
-
Was
den vorgesehenen Betrieb betrifft, so ist es für den Ventilsitz von entscheidender
Bedeutung, eine Dichtfläche
für das
Schließen
eines beweglichen Schließelements,
z. B. der Nadel einer herkömmlichen
Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, bereitzustellen. In einer ersten
Position des Schließelements
im Verhältnis
zu Sitz, d. h. wenn das Schließelement
auf dem Sitz aufliegt, wird der Brennstoffstrom durch das Einspritzventil
blockiert. In einer zweiten Position des Schließelements im Verhältnis zum
Sitz, d. h. wenn das Schließelement
vom Sitz getrennt ist, wird der Brennstoffstrom durch das Einspritzventil
zugelassen.
-
Um
die Dichtfläche
bereitzustellen, ist bekannt, dass der Sitz mit einem konischen
Bereich versehen wird, der einen gewünschten spitzen Winkel hat.
Herkömmlicherweise
werden konusförmige Schleifwerkzeuge
benutzt, um den konischen Bereich zu schleifen. Außerdem ist
bekannt, dass die Güte
der Oberflächenbeschaffenheit
mit der Schleifgeschwindigkeit zusammenhängt. Im Fall konusförmiger Schleifwerkzeuge
reduziert sich die Schleifgeschwindigkeit zur Spitze der Werkzeuge
hin.
-
Im
Fall von Brennstoffeinspritzventilsitzen, die eine kleine Düse haben,
ist die Geschwindigkeit des Schleifwerkzeugs an der Düsenkante
ungenügend.
Daher können
herkömmliche
Schleifprozesse keine ausgewählte
Oberflächenbeschaffenheit
auf herkömmlichen
konischen Bereichen erzeugen.
-
GB 2073 954 offenbart eine
Brennstoffeinspritzdüsenöffnung,
die durch ein Verfahren gebildet wird, das die schrittweise Ausbildung
einer Düse
und zweier konischer Bereiche von zunehmend spitzen Winkeln beinhaltet.
Die verschiedenen Bereiche werden mittels einer mechanischen Stanze
zu einer glatten Kontur verbunden.
-
JP-A-60
019 957 offenbart einen Brennstoffeinspritzventilsitz, der eine
in Strömungsrichtung
davor angeordnete Stirnfläche,
eine in Strömungsrichtung
dahinter angeordnete Stirnfläche
und einen Durchgang mit einem Düsenbereich
aufweist, der einen ersten Querschnittsflächenbereich hat, einen Dichtungsbereich,
der einen zweiten Querschnittsflächenbereich
hat, der von einem ersten zu einem zweiten Bereich mit einer ersten
Rate kleiner wird, und einem Übergangsbereich,
der mit einer zweiten Rate kleiner wird. Der Übergangsbereich dient dazu, die
Bildung von Graten am Schnittpunkt des Dichtungsbereichs mit dem
Düsenbereich
zu verhindern, und wird unabhängig
von den Proportionen des Einspritzventilsitzes bereitgestellt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung soll bestimmte Nachteile der Sitze in herkömmlichen
Brennstoffeinspritzventilen beheben. Die vorliegende Erfindung bietet
dementsprechend Verfahren und/oder Vorrichtungen, wie sie in den
beigefügten
Patentansprüchen definiert
werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
beigefügten
Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen und wesentlicher
Bestandteil von ihr sind, stellen die derzeit bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung dar und dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen
sowie nachstehenden ausführlichen
Beschreibung der Erläuterung
der Merkmale dieser Erfindung.
-
1 ist
eine Darstellung im Vollschnitt von einer Brennstoffeinspritzventilbaugruppe
gemäß vorliegender
Erfindung die entlang ihrer Längsachse;
-
2 ist
eine vergrößerte Einzelheit
der Darstellung im Vollschnitt der in 1 gezeigten Brennstoffeinspritzventilbaugruppe,
der einen Sitz und einen Wirbelgenerator gemäß vorliegender Erfindung darstellt;
-
3 ist
ein Schaubild, das eine Brennstoffstromreduzierung im Motor in Abhängigkeit
vom Verhältnis
der Düsenlänge zum
Düsendurchmesser für verschiedene
Beispiele für
Brennstoffeinspritzventile zeigt;
-
4 ist
eine Einzelheit eines Sitzbereichs, der in 2 mit „IV" bezeichnet wird;
und
-
5 ist
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sitzes, in der die kritischen Bereiche
des Sitzes bezeichnet sind, die beschichtet werden, sowie die kritischen
Bereiche, die nicht beschichtet werden.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
-
Gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird ein Übergangsbereich zwischen den
herkömmlichen
konischen Bereich und die Düse
eingeschoben, so dass ein zusätzliches
Volumen bereitgestellt wird, in dem die Spitze des herkömmlichen
Schleifwerkzeugs dreht.
-
Allerdings
beeinflusst ein übermäßiges Blindlochvolumen,
d. h. die Säule
des Brennstoff-Durchflussweges zwischen dem Dichtungsstreifen (d.
h. Dichtung zwischen Nadel und Sitz) und der Düse, die Bildung von Brennkammerablagerungen am
in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Sitz negativ. Auf diese Weise minimiert gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der Übergangsbereich
auch das Blindlochvolumen.
-
Zudem
wird gemäß vorliegender
Erfindung ein Brennstoffeinspritzventil auch in Bezug auf die Notwendigkeit
und Gestaltung eines Übergangsbereichs
evaluiert. Diese Evaluierung kann auf verschiedenen Faktoren basieren,
einschließlich
der Düsengröße und dem
spitzen Winkel, der durch den konischen Dichtungsbereich definiert
wird.
-
Eine
Schnittfläche
zwischen der in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnseite und der Düse kann durch eine scharfe
Kante definiert werden. Dies erleichtert das Lösen von Brennkammerablagerungen,
die sich nahe der Kante bilden können.
-
Zudem
kann ein Brennstoffeinspritzventilsitz eine Beschichtung haben,
um die Bildung von Brennkammerablagerungen in einer ersten Gruppe
kritischer Bereiche zu kontrollieren, und in einer zweiten Gruppe
kritischer Bereiche unbeschichtet sein, um die Befestigung und den
Betrieb des Sitzes zu erleichtern. Der Begriff „Achse", wie er hier gebraucht wird, wird definiert
als Mittellinie, im Verhältnis
zu der die Bauteile eines Ventilkörpers oder ein Bereich bezeichnet
werden können.
Dieser Begriff ist nicht auf gerade Linien beschränkt, sondern
kann auch kurvenförmige
Linien oder zusammengesetzte Linien beinhalten, die aus einer Kombination
kurvenförmiger
und gerader Linien bestehen.
-
Der
Begriff „Rate", wie er hier gebraucht
wird, wird definiert als ein Wert, der die Änderungen einer ersten Qualität im Verhältnis zu
einer zweiten Qualität beschreibt.
Beispielsweise kann sich „Rate" im Kontext der Beschreibung
eines Volumens auf Änderungen
dieses Querschnittsflächen bereichs
des Volumens relativ zu Positionsänderungen entlang der Volumenachse
beziehen. Der Begriff „Rate" ist nicht beschränkt auf
konstante Werte, sondern kann auch variable Werte mit einschließen.
-
Der
Begriff „spitzer
Winkel", wie er
hier gebraucht wird, wird definiert als Messung der Winkelbeziehung
zwischen zwei Segmenten eines Ventilkörpers, wenn ein Querschnitt
dieses Ventilkörpers
in einer Ebene betrachtet wird, die die Achse dieses Ventilkörpers einschließt. In der
Regel teilt die Achse den spitzen Winkel gabelförmig.
-
1 stellt
eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 dar, wie beispielsweise
eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 für Hochdruckdirekteinspritzung.
Die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 hat ein Gehäuse, das
einen Brennstoffeinlass 12, einen Brennstoffauslass 14 und
einen Brennstoffdurchgang 16 beinhaltet, der sich entlang
einer Längsachse 18 vom
Brennstoffeinlass 12 zum Brennstoffauslass 14 erstreckt.
Das Gehäuse
beinhaltet ein darübergeformtes
Kunststoffelement 20, das ein Trägerelement 22 aus
Metall umgibt.
-
Ein
Brennstoffeinlasselement 24 mit einem Einlassdurchgang 26 ist
innerhalb des darübergeformten
Kunststoffelements 20 angeordnet. Der Einlassdurchgang 26 dient
als Teil des Brennstoffdurchgangs 16 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10. Ein
Brennstofffilter 28 und ein verschiebbarer Tubus 30 sind
im Einlassdurchgang 26 vorgesehen. Der verschiebbare Tubus 30 ist
entlang der Längsachse 18 positionierbar,
bevor es fixiert wird, wodurch die Länge einer Stößelvorspannfeder 32 geändert wird. In
Kombination mit anderen Faktoren steuert die Länge der Feder 32 und
damit die Vorspannkraft, die gegen den Stößel wirkt, die Menge des Brennstoffstroms
durch das Brennstoffeinspritzventil. Das darübergeformte Kunststoffelement 20 trägt auch eine
Buchse 20a, die einen Stecker (nicht dargestellt) aufnimmt,
um die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 funktionsmäßig mit
einer externen elektrischen Spannungsquelle zu verbinden, z. B. einer
elektronischen Steuerung (nicht dargestellt). Ein O-Ring 34 aus
Elastomer ist in einer Nut auf einer Außenfläche des Einlasselements 24 vorgesehen.
Der O-Ring 34 wird getragen von einem Stützring 38,
um das Einlasselement 24 dichtend an einem Brennstoffversorgungselement
(nicht dargestellt), z. B. einem Brennstoffverteiler, zu befestigen.
-
Das
Trägerelement 22 aus
Metall umschließt eine
Spulenbaugruppe 40. Die Spulenbaugruppe 40 beinhaltet
einen Spulenträger 42,
der eine Spule 44 hält.
Die Enden der Spulenbaugruppe 40 sind elektrisch an die
Stifte 40a angeschlossen, die innerhalb der Buchse 20a des
darübergeformten
Kunststoffelements 20 montiert sind. Ein Stößel 46 wird
zwecks Relativbewegung entlang der Achse 18 in Bezug zum Einlasselement 24 gehalten.
Der Stößel 46 wird
von einem Abstandhalter 48, einer Ventilkörperbuchse 50 und
einem Ventilkörper 52 gehalten.
Der Stößel 46 hat
einen Stößeldurchgang 54,
der im Fluidaustausch mit dem Einlassdurchgang 26 steht.
-
Der
Abstandhalter 48 schließt die Ventilkörperbuchse 50,
die wiederum den Ventilkörper 52 schließt. Am Einlassbereich 60 des
Ventilkörpers 52 befindet
sich eine Stößelführungsöse 56.
Ein axial verlaufender Ventilkörperdurchgang 58 verbindet den
Einlassbereich 60 des Ventilkörpers 52 mit einem
Auslassbereich 62 des Ventilkörpers 52. Der Stößeldurchgang 54 des
Stößels 46 steht
im Fluidaustausch mit dem Ventilkörperdurchgang 58 des Ventilkörpers 52.
Ein Sitz 64, der vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff
besteht, ist am Auslassbereich 62 des Ventilkörpers 52 angebracht.
-
Der
Ventilkörper 52 beinhaltet
einen Halsbereich 66, der sich zwischen Einlassbereich 60 und Auslassbereich 62 erstreckt.
Beim Halsbereich 66 kann es sich um einen Ring handeln,
der eine Nadel 68 umschließt. Die Nadel 68 ist
funktionsmäßig mit dem
Stößel 46 verbunden
und kann eine im Wesentlichen zylindrische Nadel 68 sein.
Die zylindrische Nadel 68 ist zentral innerhalb und in
einem Abstand zum Halsbereich angeordnet, so dass sie einen Teil des
Ventilkörperdurchgangs 58 definiert.
Die zylindrische Nadel 68 ist axial mit der Längsachse 18 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 ausgerichtet.
-
Die
Betriebsleistung der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 wird
erreicht durch die magnetische Kopplung des Stößels 46 mit dem Ende
des Einlasselements 26, das dem Einlassbereich 60 des Ventilkörpers 52 am
nächsten
ist. Auf diese Weise dient der untere Bereich des Einlasselements 26,
der dem Stößel 46 nahe
ist, als Bestandteil des Magnetkreises, den er zusammen mit dem
Stößel 46 und
der Spulenbaugruppe 40 bildet. Der Stößel 46 wird von der
Stößelführungsöse 56 geführt und
reagiert auf eine elektromagnetische Kraft, die von der Spulenbaugruppe 40 erzeugt
wird, um den Stößel 46 axial entlang
der Längsachse 18 der
Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 hin und her zu bewegen.
-
Die
elektromagnetische Kraft wird durch einen Stromfluss von der elektronischen
Steuerung (nicht dargestellt) durch die Spulenbaugruppe 40 erzeugt.
Die Bewegung des Stößels 46 bewegt
auch die funktionsgerecht angebrachte Nadel 68 in Positionen,
die entweder getrennt vom Sitz 64 sind oder auf ihm aufliegen.
Dies öffnet
bzw. schließt
den Sitzdurchgang 70 des Sitzes 64, was ermöglicht bzw. verhindert,
dass Brennstoff durch den Brennstoffauslass 14 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 strömt. Die
Nadel 68 umfasst eine gekrümmte Oberfläche 78, die eine teilweise
kugelförmige
Form haben kann, damit sie auf dem konischen Bereich 72 des
Sitzdurchgangs 70 aufliegt. Natürlich können auch andere Konturen für die Spitze
der Nadel 68 und den Sitzdurchgang 70 verwendet
werden, unter der Voraussetzung, dass, wenn sie in Kontakt miteinander
sind, der Brennstoffstrom durch den Sitz 64 blockiert wird.
-
Bezugnehmend
auf 1 und 2 kann ein optionaler Wirbelgenerator 74 nahe
am Sitz 64 im Ventilkörperdurchgang 58 angeordnet
sein. Der Wirbelgenerator 74 ermöglicht es, dass der Brennstoff ein
Wirbelmuster am Sitz 64 ausbildet. Beispielsweise kann
Brennstoff am konischen Bereich 72 des Sitzdurchgangs 70 verwirbelt
werden, um ein gewünschtes Sprühmuster
zu erhalten. Der Wirbelgenerator 74 wird vorzugsweise aus
einem Paar flacher Scheiben konstruiert, einer Führungsscheibe 76 und einer
Wirbelscheibe 78. Der Wirbelgenerator 74 definiert
eine Kontaktfläche
zwischen dem Sitz 64 und dem Ventilkörper 52. Die Führungsscheibe 76 bietet der
Nadel 68 Halt.
-
Die
Nadel 68 wird in einer zentralen Öffnung 80 der Führungsscheibe 76 geführt. Die
Führungsscheibe 76 hat
eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen,
die Brennstoff vom Ventilkörperdurchgang 58 zur
Wirbelscheibe 78 leiten. Die Wirbelscheibe 78 empfängt Brennstoff
von den Brennstoffdurchgangsöffnungen
in der Führungsscheibe 76 und
leitet den Brennstoffstrom tangential zum Sitzdurchgang 70 des
Sitzes 64. Die Führungsscheibe 76 und
die Wirbelscheibe 78, die den Wirbelgenerator 74 bilden, werden
an einer in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 des
Sitzes 64 befestigt, vorzugsweise durch Laserschweißen. Brennstoff,
der von der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 eingespritzt
werden soll, wird von der Brennstoffeinlassquelle (nicht dargestellt) über den
Brennstoffdurchgang 16 zum Brennstoffeinlass 12 zugeführt und
tritt aus dem Brennstoffauslass 14 aus. Der Brennstoffdurchgang 16 beinhaltet
den Einlassdurchgang 26 des Einlasselements 24,
den Stößeldurchgang 54 des
Stößels 46,
den Ventilkörperdurchgang 58 des Ventilkörpers 52,
die Führungsscheibe 76 und
die Wirbelscheibe 78 des Wirbelgenerators 74 sowie
den Sitzdurchgang 70 des Sitzes 64. In einem Hochdruck-Direkteinspritzsystem
wird Brennstoff von der Einlassquelle mit einem Betriebsdruck von
ca. 700 psi bis 2000 psi (138 bar bis 48 bar) zugeführt.
-
Es
wird besonders auf 2 Bezug genommen; der Sitzdurchgang 70 des
Sitzes 64 erstreckt sich zwischen der in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 des
Sitzes 64 und einer in Strömungsrichtung dahinter angeordneten
Stirnfläche 604 des
Sitzes 64. Der Sitzdurchgang 70 umfasst einen
Düsenbereich 608,
einen Nadeldichtungsbereich 612 und einen Übergangsbereich 614. Der
Nadeldichtungsbereich 612 ist nahe an der ersten Stirnfläche 602 angeordnet,
der Düsenbereich 608 ist
nahe an der in Strömungsrichtung
dahinter liegenden Stirnfläche 604 angeordnet,
und der Übergangsbereich 614 ist
zwischen dem Düsenbereich 608 und
dem Nadeldichtungsbereich 612 angeordnet.
-
Der
Düsenbereich 608 hat
einen ersten Querschnittsflächenbereich
relativ zur Längsachse 18.
Dies bedeutet, dass der erste Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen
messbar ist, die orthogonal zur Längsachse 18 liegen,
da er sich durch den Düsenbereich 608 erstreckt,
oder er ist in jeder der imaginären
Ebenen innerhalb des Düsenbereichs 608 messbar,
die parallel zur in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 liegen.
Der häufigste
Fall ist, dass die in Strömungsrichtung
dahinter angeordnete Stirnfläche 604 im
Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet
ist, und die Längsachse 18 aus
einer geraden Linie besteht, die sich durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erstreckt.
Infolgedessen ist der erste Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen
messbar, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch
parallel zur in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 liegen.
-
Der
erste Querschnittsflächenbereich
kann im Wesentlichen über
den gesamten Düsenbereich 608 gleich
sein. Beispielsweise kann der erste Querschnittsflächenbereich
ein Kreis sein, der einen Durchmesser D hat, und der Düsenbereich 608 kann sich
entlang der Längsachse 18 über eine
Länge L erstrecken.
Auf diese Weise beinhaltet der Düsenbereich 608 in
dem oben beschriebenen häufigsten
Fall einen senkrechten kreisförmigen
Zylinder. Mit Hilfe von Versuchen wurde festgestellt, dass die für die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 gewünschten Betriebseigenschaften
erreicht werden, wenn das Verhältnis
der Länge
L zum Durchmesser D, d. h. „L/D" für den Düsenbereich 608 nahe
0,3 liegt, jedoch mindestens diesem Wert entspricht. 3 zeigt eine
empirische Datenkennlinie der Brennstoffstromveränderungen auf Grund von Ablagerungen
in Abhängigkeit
vom Verhältnis „L/D".
-
Der
Nadeldichtungsbereich 612 hat einen zweiten Querschnittsflächenbereich
relativ zur Längsachse 18.
Dies bedeutet, dass der zweite Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen
messbar ist, die orthogonal zur Längsachse 18 liegen,
da er sich durch den Nadeldichtungsbereich 612 erstreckt,
oder er ist in jeder der imaginären Ebenen
innerhalb des Nadeldichtungsbereichs 612 messbar, die parallel
zur in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen.
Der häufigste Fall
ist, dass die in Strömungsrichtung
davor angeordnete Stirnfläche 602 im
Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet
ist, und die Längsachse 18 aus
einer geraden Linie besteht, die sich durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erstreckt.
Infolgedessen ist der zweite Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen
messbar, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch
parallel zur in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen.
-
Der
Nadeldichtungsbereich 612 wird mit Hilfe eines Schleifwerkzeugs
ausgebildet, so dass er eine ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit erhält. Die
Kontur des Nadeldichtungsbereichs 612 kann durch die Form
jedes zweiten Querschnittsflächenbereichs
und die Rate beschrieben werden, mit der der Querschnittsflächenbereich
im gesamten Verlauf des Nadeldichtungsbereichs 612 reduziert
wird. Der zweite Querschnittsflächenbereich
kann einen ersten Bereich in der imaginären Ebene haben, der nahe an der
in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 ist,
und mit einer ersten Rate zu einem zweiten Bereich in der imaginären Ebene
reduziert werden, die entfernt von der in Strömungsrichtung davor angeordneten
Stirnfläche 602 ist.
Wie oben erörtert,
kann diese Rate konstant oder variabel sein. In dem Fall, in dem
die Form jedes zweiten Querschnittsflächenbereichs ein Kreis ist,
der einen Durchmesser hat, der, wie in 2 dargestellt,
mit einer konstanten Rate reduziert wird, ist die Form des Nadeldichtungsbereichs 612 als
gerader Kegelstumpf mit einem spitzen Winkel 624 ausgebildet. Natürlich können verschiedene
Formen für
den Nadeldichtungsbereich 612 ausgebildet werden durch Variieren
der Form der zweiten Querschnittsflächenbereiche oder durch Variieren
der Rate, mit der sich diese ändern.
-
Der Übergangsbereich 614 hat
einen dritten Querschnittsflächenbereich
relativ zur Längsachse 18.
Dies bedeutet, dass der dritte Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen
messbar ist, die orthogonal zur Längsachse 18 liegen,
da er sich durch den Übergangsbereich 614 erstreckt, oder
er ist in jeder der imaginären
Ebenen innerhalb des Übergangsbereichs 614 messbar,
die parallel zur in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen.
Der häufigste
Fall ist, dass die in Strömungsrichtung
davor angeordnete Stirnfläche 602 im
Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet
ist, und die Längsachse 18 aus
einer geraden Linie besteht, die sich durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erstreckt.
Infolgedessen ist der dritte Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen
messbar, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch
parallel zur in Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen.
-
Der Übergangsbereich 614 kann
mit Hilfe eines Schleifwerkzeugs, eines Bohrwerkzeugs usw. ausgebildet
werden. Die Kontur des Übergangsbereichs 614 kann
durch die Form jedes dritten Querschnittsflächenbereichs und die Rate beschrieben werden,
mit der der dritte Querschnittsflächenbereich im gesamten Verlauf
des Übergangsbereichs 614 reduziert
wird. Der dritte Querschnittsflächenbereich kann
mit einer zweiten Rate vom zweiten Bereich des zweiten Querschnittsflächenbereichs
zum ersten Querschnittsflächenbereich
des Düsenbereichs 608 reduziert
werden. Wie oben erörtert,
kann diese Rate konstant oder variabel sein. In dem Fall, in dem
die Form jedes dritten Querschnittsflächenbereichs ein Kreis ist,
der einen Durchmesser hat, der, wie in 2 dargestellt,
mit einer konstanten Rate reduziert wird, ist die Form des Übergangsbereichs 614 als
gerader Kegelstumpf mit einem spitzen Winkel 626 ausgebildet.
Natürlich
können
verschiedene Formen für
den Übergangsbereich 614 ausgebildet
werden durch Variieren der Form der zweiten Querschnittsflächenbereiche
oder durch Variieren der Rate, mit der sich diese ändern.
-
Der Übergangsbereich 614 bietet
ein Volumen, das die Spitze des Schleifwerkzeugs aufnimmt, das den
Nadeldichtungsbereich 612 ausbildet. Auf diese Weise haben
nur diejenigen Bereiche des Schleifwerkzeugs, die mit einer ausreichenden Schleifgeschwindigkeit
angetrieben werden, Kontakt mit den Nadeldichtungsbereich 612,
so dass zumindest eine ausgewählte
Oberflächenmindestbeschaffenheit über die
gesamte Oberfläche
des Nadeldichtungsbereichs 612 erzeugt wird.
-
Wenn
der Übergangsbereich 614 konisch ausgebildet
ist, ist der spitze Winkel 624 des Nadeldichtungsbereichs 612 vorzugsweise
größer als
der spitze Winkel 626 des Übergangsbereichs 614.
Der spitze Winkel 624 kann um ca. 15° größer als der spitze Winkel 626 sein;
beispielsweise kann der spitze Winkel 624 des Nadeldichtungsbereichs 612 ca. 105° und der
spitze Winkel 626 des Übergangsbereichs 614 ca.
90° groß sein.
Natürlich
sind verschiedene Kombinationen spitzer Winkel verwendbar, vorausgesetzt,
der Nadeldichtungsbereich 612 entspricht in Dichtposition
der Oberfläche 78 von
Nadel 68, und der Übergangsbereich 614 unterstützt die Herstellung
einer ausgewählten
Oberflächenbeschaffenheit
auf dem Nadeldichtungsbereich 612. Es hat sich beispielsweise
erwiesen, dass, wenn der spitze Winkel 624 ca. 104° und der
spitze Winkel 626 ca. 85° beträgt, die
Stromstabilität
verbessert wird. Wenn der spitze Winkel 626 auf einen Bereich
von ca. 95 bis 100° vergrößert wird,
sinkt die Stromstabilität,
und das Ablösen
von Ablagerungen verbessert sich, möglicherweise auf Grund von
Kavitation.
-
Neben
der Bereitstellung eines Übergangs zwischen
dem Nadeldichtungsbereich 612 und dem Düsenbereich 608 minimiert
der Übergangsbereich 614 das
Blindlochvolumen, d. h. das Volumen des Sitzdurchgangs 70,
von dem aus die Oberfläche 78 der
Nadel 68 im Nadeldichtungsbereich 612 des Düsenbereichs 608 aufliegt.
Beispielsweise würde
ein Übergangsbereich 614,
der die Form eines senkrechten kreisförmigen Zylinders hat, das Blindlochvolumen
im Vergleich zu einem geraden Kegel, wie er in 2 dargestellt
ist, unerwünscht
vergrößern.
-
Bezugnehmend
auf 2 und 4 kann die Schnittfläche an der
Verbindungsstelle zwischen der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und
dem Düsenbereich 608 eine scharfe
Kante sein, um das Ablösen
von Brennkammerablagerungen zu erleichtern, die sich auf der in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 bilden.
Insbesondere verhindert eine scharfe Kante, dass die Bildung von
Brennkammerablagerungen auf der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten
Stirnfläche 604 sich
durch Ansammlungen auf dem Düsenbereich 608 fortsetzt.
Das heißt,
dass sich das Muster der Bildung von Ablagerungen nicht von der
im Wesentlichen planen Fläche
der in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 zu
der im Wesentlichen zylinderförmigen
Fläche des
Düsenbereichs 608 erstreckt.
Stattdessen resultiert die fortgesetzte Zunahme der Ablagerungen
an der Schnittfläche
zwischen der in Strömungsrichtung dahinter
angeordneten Stirnfläche 604 und
dem Düsenbereich 608 in
einer Ablagerungsausformung, die problemlos durch den unter hohem
Druck stehenden Brennstoffsprühnebel
abgelöst
werden kann, der durch den Düsenbereich 608 strömt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine scharfe Kante durch eine Schnittfläche definiert
werden, die eine ringförmige,
angefaste Kante 606 beinhaltet, die die senkrechten Flächen der
in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und
des Düsenbereichs 608 verbindet.
Die angefaste Kante 606 kann sich über ca. 0,02 mm erstrecken
und im Winkel von 45° im
Verhältnis
zu jeder der senkrechten Flächen ausgerichtet
sein.
-
Bezugnehmend
auf 5 können
Beschichtungen, die die Oberflächenenergie
oder die Reaktionsfähigkeit
von Oberflächen
reduzieren, auch die Bildung von Brennkammerablagerungen kontrollieren.
Bestimmte Oberflächen
des Sitzes 64 können beschichtet
sein, doch das Vorhandensein einer Beschichtung kann bestimmte kritische
Oberflächen des
Sitzes 64 negativ beeinflussen. Beispielsweise können Beschichtungen
die Effizienz der Dichtung zwischen Nadel und Sitz reduzieren oder
den Anschluss des Sitzes 64 an den Ventilkörper 52 behindern.
-
Ein
Einspritzventilsitzrohling, das heißt ein Sitz 64, der
die in Strömungsrichtung
davor angeordnete Stirnfläche 602,
die in Strömungsrichtung
dahinter angeordnete Stirnfläche 604 und
den Rohdurchgang 70 (vor dem Schleifen des Nadeldichtungsbereichs 612)
umfasst, wird beschichtet oder galvanisiert. Abdeckungen können verwendet
werden, um das Aufbringen der Beschichtung auf eine äußere Umfangfläche von
Sitz 64 zu verhindern.
-
Abdeckungen
können
ferner verwendet werden, um das Aufbringen der Beschichtung auf
einen Bereich der in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 zu
verhindern, der nahe an der äußeren Umfangsfläche liegt.
Diese abgedeckten Bereiche können
anschließend
verwendet werden, um den Sitz 64 mit dem Ventilkörper 52 zu
verbinden. Durch das Schleifen für
den Nadeldichtungsbereich 612 wird die aufgebrachte Beschichtung
im Bereich des kritischen Dichtungsstreifens entfernt. Auf diese Weise
wird der Sitz 64 in den Bereichen beschichtet, die für das Verhindern
der Bildung von Ablagerungen am notwendigsten sind, und im kritischen
Dichtungsstreifenbereich sowie im Sitzbefestigungsbereich unbeschichtet
sind. Bei der Beschichtung kann es sich um eine kohlenstoffbasierte
Beschichtung handeln, wie sie z. B. unter dem Markennamen SICON
angeboten wird, die mittels herkömmlicher
Aufdampfverfahren aufgebracht werden kann. Die Beschichtung kann
auch auf Fluorpolymerbasis, Aluminiumbasis oder Keramikbasis sein.
Die durch Aufliegen schließende
Nadel 68 kann ebenfalls beschichtet werden oder unbeschichtet
sein. Das Verfahren zur Ausbildung der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 beinhaltet
die Ausbildung des Sitzes 64, der die in Strömungsrichtung
davor angeordnete Stirnfläche 602, die
in Strömungsrichtung
dahinter angeordnete Stirnfläche 604 und
den Sitzdurchgang 70 aufweist, der sich zwischen der in
Strömungsrichtung
davor angeordneten Stirnfläche 602 und
der in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 erstreckt.
Das Verfahren beinhaltet zudem die Ausbildung des Düsenbereichs 608 und
des Übergangsbereichs 614 innerhalb
des Durchgangs 70. Vor dem Aufbringen einer Beschichtung
auf dem Sitz 64 kann der Nadeldichtungsbereich 612 roh
ausgeformt werden, und die scharfe Kantenschnittfläche 606 kann zwischen
der in Strömungsrichtung
dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und
dem Düsenbereich 608 ausgebildet
werden. Der Düsenbereich 608,
der roh ausgeformte Nadeldichtungsbereich 612 und der Übergangsbereich 614 können in
beliebiger Reihenfolge und durch jedes Verfahren ausgeformt werden, z.
B. durch Bohren, Drehen usw. Zudem kann jede Kombination des Düsenbereichs 608,
des roh ausgeformten Nadeldichtungsbereichs 612 und des Übergangsbereichs 614 gleichzeitig
in einem Arbeitsgang ausgebildet werden, oder es können alle
in einzelnen Arbeitsgängen
ausgeformt werden. Anschließend kann
der Sitz 64 abgedeckt und die Beschichtung auf den Sitz 64 aufgebracht
werden. Danach kann die Abdeckung vom Sitz 64 entfernt
und die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit
auf dem Nadeldichtungsbereich 612 durch Schleifen erzeugt
werden.
-
Alternativ
kann der Nadeldichtungsbereich 612 mit der ausgewählten Oberflächenbeschaffenheit
in einem einzigen Schritt ausgebildet werden, d. h., ohne gesonderte
Rohausformung des Nadeldichtungsbereichs 612. Der Übergangsbereich 614 bietet das
Volumen für
das Schleifwerkzeug, das notwendig ist, um die für den Nadeldichtungsbereich 612 ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit
zu erzeugen. Und wie bereits vorstehend erörtert, minimiert der Übergangsbereich
ferner das Blindlochvolumen. Der Sitz 64 ist nun bereit
für die
Montage am Ventilkörper 52 der
Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10. Eine Reihe von Faktoren
wird evaluiert, um die Notwendigkeit der Bereitstellung des Übergangsbereichs 614 zwischen
dem Düsenbereich 608 und dem
Nadeldichtungsbereich 612 zu bestimmen. Diese Faktoren
beinhalten den ersten Querschnittsflächenbereich des Düsenbereichs 608,
den spitzen Winkel des Nadeldichtungsbereichs 612 und die
ausgewählte
Oberflächenbeschaffenheit,
die auf dem Nadeldichtungsbereich 612 zu erzeugen ist.
-
Die
Oberflächenbeschaffenheit
oder die Oberflächenstruktur
eines Materials ist eine Rauheitsmessgröße, die in Form eines Wertes
angegeben wird, der der arithmetischen mittleren Abweichung winzig
kleiner Oberflächenunregelmäßigkeiten
von einer hypothetischen perfekten Oberfläche entspricht. Die Oberflächenrauheit
wird in „μm" ausgedrückt.
-
Bei
einem drehenden Schleifwerkzeug variiert die lineare Geschwindigkeit
in Abhängigkeit
vom radialen Abstand von der Drehachse. Daher ist, wenn die von
einem drehenden Schleifwerkzeug erzeugte Oberflächenbeschaffenheit in einem
radialen Abstand, der der Kante des ersten Querschnittsflächenbereichs
entspricht, zu rau ist, ein Übergangsbereich 614 gemäß vorliegender
Erfindung notwendig.
-
Der Übergangsbereich 614 bietet
ein Volumen, das relativ nahe an der Drehachse bei einem drehenden
Schleifwerkzeug ist, und in dem das Schleifwerkzeug nicht den Sitz 64 berührt. Auf
diese Weise werden nur die Durchmesser eines drehenden Schleifwerkzeugs
benutzt, die sich mit ausreichender Schleifgeschwindigkeit bewegen,
um die ausgewählte
Oberflächenbeschaffenheit
auf dem Nadeldichtungsbereich 612 zu erzeugen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist bei einem Nadeldichtungsbereich 612, der
einen spitzen Winkel von ca. 105° hat,
ein Übergangsbereich 614 notwendig,
wenn das Verhältnis
des ersten Querschnittsflächenbereichs
zum ersten Bereich des zweiten Querschnittsflächenbereichs unter 0,5 liegt.
-
Natürlich wird,
wenn der Nadeldichtungsbereich 612 durch ein Verfahren
ausgebildet werden soll, das ein anderes Werkzeug als ein drehendes Schleifwerkzeug
verwendet, oder wenn die Form der zweiten Querschnittsflächenbereiche
nicht rund ist, die Notwendigkeit eines Übergangsbereichs 614 bestimmt
durch Evaluierung der Güte
der Oberflächenbeschaffenheit
an der Schnittfläche
zwischen dem Nadeldichtungsbereich 612 und dem Düsenbereich 608.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte
Ausführungsformen
offenbart wurde, sind zahlreiche Modifikationen, Varianten und Änderungen
der beschriebenen Ausführungsformen
möglich,
ohne dass vom Geltungs- und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung,
wie er in den beigefügten
Patentansprüchen definiert
wird, abgewichen wird. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die
vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern dass der vollständige
Schutzbereich durch den Wortlaut der folgenden Patentansprüche und
deren Äquivalente
definiert wird.