DE60023127T2

DE60023127T2 - Beschichtung für ein brennstoffeinspritzventilsitz

Info

Publication number: DE60023127T2
Application number: DE60023127T
Authority: DE
Inventors: James William IMOEHL
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: EP1175558B1; US6311901B1; WO2000065226A1; EP1175558A1; DE60027288D1; EP1175559A1; WO2000065225A1; WO2000065228A1; AU4665000A; US20020030124A1; EP1175560B8; EP1173672B1; US6334434B1; EP1173672A1; DE60027288T2; DE60021372T2; JP2002543330A; DE60021372D1; EP1175560B1; KR20010108451A

Description

Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/131.251, eingereicht am 27. April 1999.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe und spezieller eine Hochdruck-Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, die einen Ventilsitz umfasst, der eine Reihe von Merkmalen aufweist, um die Bildung von Brennraumablagerungen auf dem Ventilsitz zu minimieren. Diese Erfindung betrifft ferner die Anordnung und Herstellung eines Brennstoffeinspritzventilsitzes.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffeinspritzventile werden herkömmlicherweise eingesetzt, um für einen dosierten Brennstofffluss in eine Kraftmaschine mit innerer Verbrennung zu sorgen. Im Fall von Systemen für Direkteinspritzung erstreckt sich ein Hochdruck-Brennstoffeinspritzventil in die Brennkammer. Dementsprechend ist eine in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche des Brennstoffeinspritzventilsitzes anfällig für die Bildung von Brennraumablagerungen. Es ist wünschenswert, diese Bildung von Ablagerungen zu minimieren, um die beabsichtigte Funktion des Brennstoffeinspritzventils aufrechtzuerhalten.
Für die beabsichtigte Funktion ist es wesentlich, dass der Ventilsitz eine Dichtfläche aufweist, um formschlüssig auf ein bewegliches Schließelement, z. B. eine Nadel einer herkömmlichen Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, einzuwirken.
In einer ersten Stellung des Schließelements in Beziehung zum Ventilsitz, d. h. wenn das Schließelement formschlüssig auf dem Ventilsitz aufsitzt, wird der Brennstofffluss durch das Brennstoffeinspritzventil blockiert. In einer zweiten Stellung des Schließelements in Beziehung zum Ventilsitz, d. h. wenn das Schließelement vom Ventilsitz getrennt ist, wird der Brennstofffluss durch das Brennstoffeinspritzventil ermöglicht.
Um die Dichtfläche bereitzustellen, wird der Ventilsitz bekanntlich mit einem konischen Bereich ausgestattet, der einen gewünschten Öffnungswinkel aufweist. Herkömmlicherweise werden Schleifwerkzeuge mit einer konischen Form verwendet, um den konischen Bereich zu schleifen. Es ist ferner bekannt, dass die Güte einer Oberflächenbeschaffenheit von der Schleifgeschwindigkeit abhängt. Im Fall konisch geformter Schleifwerkzeuge nimmt die Schleifgeschwindigkeit zur Werkzeugspitze hin ab.
Im Fall von Brennstoffeinspritzventilsitzen mit einer kleinen Bohrung ist die Geschwindigkeit des Schleifwerkzeugs an der Kante der Bohrung nicht ausreichend. Daher können herkömmliche Schleifvorgänge eine gewählte Oberflächenbeschaffenheit auf herkömmlichen konischen Bereichen nicht herstellen.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-4222127 offenbart einen Brennstoffeinspritzventilsitz mit einer Beschichtung.
Die japanische Patentanmeldung JP-A-5 9180 062 offenbart ebenfalls ein Brennstoffeinspritzventil mit einer Beschichtung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der Ventilsitze von herkömmlichen Brennstoffeinspritzventilen und stellt eine Reihe von Eigenschaften zur Minimierung der Bildung von Brennraumablagerungen zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen Brennstoffeinspritzventilsitz, der Folgendes umfasst: eine in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche; eine in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche, die in einem Abstand zu der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche angeordnet ist; einen Kanal, der entlang einer Achse zwischen der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche und der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche verläuft, wobei der Kanal einen Bohrungsbereich an der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche und einen Dichtbereich an der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche aufweist; und eine Beschichtung auf ausgewählten Flächen des Ventilsitzes zum Schutz vor Ablagerungsbildung, wobei die ausgewählten Flächen den Bohrungsbereich einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Flächen nicht den Nadeldichtbereich umfassen; und wobei die ausgewählten Flächen ferner die in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche einschließen und/oder einen radialen umlaufenden inneren Bereich der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche am Bohrungsbereich.
In der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „Achse" definiert als eine Mittellinie, zu der Teile eines Körpers oder einer Fläche in Beziehung gesetzt werden können. Dieser Begriff ist nicht auf gerade Linien eingeschränkt, sondern kann auch gekrümmte Linien einschließen oder zusammengesetzte Linien, die aus einer Kombination von gekrümmten und geraden Teilstücken bestehen.
In der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Verhältnis" als ein Wert definiert, der die Änderungen einer ersten Größe in Beziehung zu einer zweiten Größe beschreibt. Zum Beispiel kann „Verhältnis" sich in einem Zusammenhang, in dem ein Volumen beschrieben wird, auf Änderungen der quer verlaufenden Querschnittsfläche des Volumens in Beziehung zu Positionsänderungen entlang der Achse des Volumens beziehen. Der Begriff „Verhältnis" ist nicht auf konstante Werte eingeschränkt, sondern kann auch Werte umfassen, die sich ändern.
In der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Öffnungswinkel" definiert als ein Maß der Winkelbeziehung zwischen zwei Teilstücken eines Körpers, wenn ein Querschnitt des Körpers einschließlich der Achse des Körpers in einer Ebene dargestellt wird. In der Regel halbiert die Achse den Öffnungswinkel.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Patentschrift einbezogen sind und einen Bestandteil derselben darstellen, zeigen die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der unten gegebenen ausführlichen Beschreibung zur Erklärung der Merkmale der Erfindung.
1 ist eine Darstellung im Schnitt von einer Brennstoffeinspritzventilbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung entlang ihrer Längsachse; und
2 ist eine vergrößerte Einzelheit der Darstellung im Schnitt der in 1 gezeigten Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, der einen Ventilsitz und einen Wirbelbildner gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Schaubild, das die Abnahme des Durchflusses zum Motor als eine Funktion der Relation von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser für verschiedene beispielhafte Brennstoffeinspritzventile zeigt.
4 ist die Darstellung einer Einzelheit eines Ventilsitzbereichs, der in 2 mit IV gekennzeichnet ist.
5 ist eine schematische Darstellung des Ventilsitzes gemäß der vorliegenden Erfindung, die die maßgeblichen Bereiche des Ventilsitzes zeigt, die beschichtet sind, und die maßgeblichen Bereiche des Ventilsitzes, die unbeschichtet sind.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
1 stellt eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 dar, zum Beispiel eine Hochdruckeinspritzventilbaugruppe 10 für Direkteinspritzung. Die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 hat ein Gehäuse, das einen Brennstoffeintrittsbereich 12, einen Brennstoffaustrittsbereich 14 und einen Brennstoffdurchflusspfad 16 umfasst, der entlang einer Längsachse 18 vom Brennstoffeintrittsbereich 12 zum Brennstoffaustrittsbereich 14 verläuft. Das Gehäuse umfasst ein aufgeformtes Kunststoffelement 20, das ein Stützelement 22 aus Metall umgibt.
Ein Element 24 am Brennstoffeintrittsbereich in einem Eintrittsbereichsdurchgang 26 ist im aufgeformten Kunststoffelement 20 angeordnet. Der Eintrittsbereichsdurchgang 26 dient als Teil des Brennstoffdurchflusspfads 16 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10. Ein Brennstofffilter 28 und ein einstellbarer Tubus 30 werden im Eintrittsbereichsdurchgang 26 bereitgestellt. Der einstellbare Tubus 30 kann entlang der Längsachse 18 angeordnet werden, bevor er in seiner endgültigen Stellung befestigt wird, wodurch die Länge einer Ankervorspannfeder 32 verändert werden kann. Zusammen mit weiteren Faktoren steuern die Länge der Feder 32 und somit die Vorspannkraft gegen den Anker die Größe des Brennstoffvolumenstroms durch das Brennstoffeinspritzventil. Das aufgeformte Kunststoffelement 20 stützt auch eine Buchse 20a, die einen Stecker (nicht dargestellt) aufnimmt, um die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 funktionsmäßig mit einer externen Quelle für elektrisches Potenzial wie einer elektronischen Steuerung (nicht dargestellt) zu verbinden. Ein O-Ring 34 aus Elastomer wird in einer Nut an der Außenseite des Elements 24 am Eintrittsbereich vorgesehen. Der O-Ring 34 wird durch einen Stützring 38 gehalten, um das Element 24 am Eintrittsbereich bei gleichzeitiger Abdichtung an einem Brennstoffversorgungselement (nicht dargestellt) wie zum Beispiel einem Brennstoffverteiler zu befestigen.
Das Stützelement 22 aus Metall umgibt eine Spulenbaugruppe 40. Die Spulenbaugruppe 40 umfasst einen Spulenkörper 42, der eine Spule 44 enthält. Die Enden der Spulenbaugruppe 40 sind elektrisch an die Stifte 40a angeschlossen, die in der Buchse 20a des aufgeformten Kunststoffelements 20 angebracht sind. Ein Anker 46 wird zwecks einer relativen Bewegung entlang der Achse 18 in Beziehung zum Element 24 am Eintrittsbereich gehalten. Der Anker 46 wird von einem Abstandsstück 48, einer Ventilkörperhülse 50 und einem Ventilkörper 52 gehalten. Der Anker 46 weist einen Ankerkanal 54 auf, der in Fluidaustausch mit dem Eintrittsbereichsdurchgang 26 steht.
Das Abstandsstück 48 ist mit der Ventilkörperhülse 50 in Kontakt, die ihrerseits in Kontakt mit dem Ventilkörper 52 ist. Ein Ankerführungsauge 56 ist auf einem Eintrittsbereich 60 des Ventilkörpers 52 angeordnet. Ein axial verlaufender Ventilkörperkanal 58 verbindet den Eintrittsbereich 60 des Ventilkörpers 52 mit einem Austrittsbereich 62 des Ventilkörpers 52. Der Ankerkanal 54 des Ankers 46 steht in Fluidaustausch mit dem Ventilkörperkanal 58 des Ventilkörpers 52. Ein Ventilsitz 64, der vorzugsweise aus Metall besteht, ist am Austrittsbereich 62 des Ventilkörpers 52 angebracht.
Der Ventilkörper 52 umfasst einen Stutzenbereich 66, der zwischen dem Eintrittsbereich 60 und dem Austrittsbereich 62 verläuft. Der Stutzenbereich 66 kann ein Hohlzylinder sein, der eine Nadel 68 umgibt. Die Nadel 68 ist funktionsmäßig mit dem Anker 46 verbunden und kann eine im Wesentlichen zylindrische Nadel 68 sein. Die zylindrische Nadel 68 ist mittig innerhalb des Stutzenbereichs und mit einem Abstand zu diesem angeordnet, um einen Teil des Ventilkörperkanals 58 zu definieren. Die zylindrische Nadel 68 ist axial an der Längsachse 18 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 ausgerichtet.
Die Funktion der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 wird erreicht, indem der Anker 46 magnetisch mit dem Ende des Elements 26 am Eintrittsbereich gekoppelt wird, das dem Eintrittsbereich 60 des Ventilkörpers 52 am nächsten ist. Auf diese Weise dient der untere Bereich des Elements 26 am Eintrittsbereich, das am Anker 46 ist, als Teil des Magnetkreises, der durch den Anker 46 und die Spulenbaugruppe 40 gebildet wird. Der Anker 46 wird vom Ankerführungsauge 56 geführt und reagiert auf eine elektromagnetische Kraft, die von der Spulenbaugruppe 40 erzeugt wird, um den Anker 46 entlang der Längsachse 18 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 auf- und abzubewegen. Die elektromagnetische Kraft wird durch Strom erzeugt, der von der elektronischen Steuerung (nicht dargestellt) durch die Spulenbaugruppe 40 fließt. Die Bewegung des Ankers 46 bewegt auch die funktionsmäßig verbundene Nadel 68 in Stellungen, die entweder vom Ventilsitz 64 getrennt oder formschlüssig mit ihm verbunden sind. Dadurch wird der Ventilsitzkanal 70 des Ventilsitzes 64 geöffnet bzw. geschlossen, was ermöglicht bzw. verhindert, dass Brennstoff durch den Brennstoffaustrittsbereich 14 des Brennstoffeinspritzventils 10 fließt. Die Nadel 68 umfasst eine gekrümmte Fläche 78, die eine Teilkugelform aufweisen kann, um sich formschlüssig mit einem konischen Bereich 72 des Ventilsitzkanals 70 zu verbinden. Selbstverständlich können andere Konturen für die Spitze der Nadel 68 und den Ventilsitzkanal 70 unter der Voraussetzung verwendet werden, dass, wenn sie formschlüssig verbunden sind, der Brennstofffluss durch den Ventilsitz 64 blockiert wird.
Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen; es kann auf Wunsch ein Wirbelbildner 74 am Ventilsitz 64 im Ventilkörperkanal 58 angeordnet werden. Der Wirbelbildner 74 ermöglicht, dass der Brennstoff ein Wirbelbild auf dem Ventilsitz 64 ausbildet. Zum Beispiel kann Brennstoff auf dem konischen Bereich 72 des Ventilsitzkanals 70 verwirbelt werden, um ein gewünschtes Strahlbild zu erzeugen. Der Wirbelbildner 74 ist vorzugsweise aus einem Paar flacher Scheiben zusammengesetzt, einer Führungsscheibe 76 und einer Wirbelscheibe 78. Der Wirbelbildner 74 definiert einen Kontaktbereich zwischen dem Ventilsitz 64 und dem Ventilkörper 52. Die Führungsscheibe 76 stellt eine Führung für die Nadel 68 dar.
Die Nadel 68 wird in einer mittigen Öffnung 80 der Führungsscheibe 76 geführt. Die Führungsscheibe 76 weist eine Vielzahl von Brennstoffdurchflussöffnungen auf, die der Wirbelscheibe 78 Brennstoff vom Ventilkörperkanal 58 zuführen. Die Wirbelscheibe 78 erhält Brennstoff von den Brennstoffdurchflussöffnungen in der Führungsscheibe 76 und leitet den Brennstoffstrom tangential zum Ventilsitzkanal 70 des Ventilsitzes 64. Die Führungsscheibe 76 und die Wirbelscheibe 78, die den Wirbelbildner 74 bilden, sind an einer in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 des Ventilsitzes 64 befestigt, vorzugsweise durch Laserschweißen.
Brennstoff, der vom Brennstoffeinspritzventil 10 eingespritzt werden soll, wird von der Brennstoffversorgungsquelle (nicht dargestellt) zum Brennstoffeintrittsbereich 12 und durch den Brennstoffdurchflusspfad 16 geleitet und tritt aus dem Brennstoffaustrittsbereich 14 aus. Der Brennstoffdurchflusspfad 16 umfasst den Eintrittsbereichsdurchgang 26 des Elements 24 am Eintrittsbereich, den Ankerkanal 54 des Ankers 46, den Ventilkörperkanal 58 des Ventilkörpers 52, die Führungsscheibe 76 und die Wirbelscheibe 78 des Wirbelbildners 74 sowie den Ventilsitzkanal 70 des Ventilsitzes 64. Bei einem Hochdruckdirekteinspritzungssystem wird Brennstoff von der Brennstoffversorgungsquelle mit einem Betribesdruck im Bereich von ungefähr 700 psi (ca. 49 bar) und 2000 psi (ca. 140 bar) zugeführt.
Es wird insbesondere auf 2 Bezug genommen, in der der Ventilsitzkanal 70 von Ventilsitz 64 zwischen der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 des Ventilsitzes 64 und einer in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 des Ventilsitzes 64 angeordnet ist. Der Ventilsitzkanal 70 umfasst einen Bohrungsbereich 608, einen Nadeldichtbereich 612 und einen Übergangsbereich 614. Der Nadeldichtbereich 612 ist nahe der ersten Fläche 602 angeordnet, der Bohrungsbereich 608 ist an der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 angeordnet und der Übergangsbereich 614 ist zwischen dem Bohrungsbereich 608 und dem Nadeldichtbereich 612 angeordnet.
Der Bohrungsbereich 608 weist eine erste Querschnittsfläche auf, die quer zur Längsachse 18 verläuft. D. h. die erste Querschnittsfläche kann in jeder der gedachten Ebenen ermittelt werden, die orthogonal zur Längsachse 18 verlaufen, die sich durch den Bohrungsbereich 608 erstreckt, oder sie kann in jeder der gedachten Ebenen innerhalb des Bohrungsbereichs 608 ermittelt werden, die parallel zur in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 angeordnet sind. Am häufigsten liegt der Fall vor, dass die in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche 604 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet ist, und die Längsachse 18 aus einer geraden Linie besteht, die durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 verläuft. Folglich kann die erste Querschnittsfläche in jeder der gedachten Ebenen ermittelt werden, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 ausgerichtet sind.
Die erste quer verlaufende Querschnittsfläche kann im gesamten Bohrungsbereich 608 im Wesentlichen gleichförmig sein. Zum Beispiel kann die erste quer verlaufende Querschnittsfläche ein Kreis mit einem Durchmesser D sein, und der Bohrungsbereich 608 kann mit einer Länge L entlang der Längsachse 18 verlaufen. Dementsprechend besteht der Bohrungsbereich 608 im vorstehend beschriebenen häufigsten Fall aus einem rechtwinkligen Kreiszylinder. In Versuchen wurde festgestellt, dass wünschenswerte Funktionsmerkmale der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erreicht werden, wenn der Quotient aus der Länge L und dem Durchmesser D, d. h. L/D, für den Bohrungsbereich 608 sich im Bereich von 0,3 bewegt, jedoch nicht kleiner ist. 3 ist ein Schaubild aufgrund empirischer Daten zu Durchflussveränderungen aufgrund von Ablagerungsbildung als eine Funktion des Quotienten L/D.
Der Nadeldichtbereich 612 weist eine zweite Querschnittsfläche auf, die quer zur Längsachse 18 verläuft. D. h. die zweite Querschnittsfläche kann in jeder der gedachten Ebenen ermittelt werden, die orthogonal zur Längsachse 18 verlaufen, die sich durch den Nadeldichtbereich 612 erstreckt, oder sie kann in jeder der gedachten Ebenen innerhalb des Nadeldichtbereichs 612 ermittelt werden, die parallel zur in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 angeordnet sind. Am häufigsten liegt der Fall vor, dass die in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche 602 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet ist, und die Längsachse 18 aus einer geraden Linie besteht, die durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 verläuft. Folglich kann die zweite Querschnittsfläche in jeder der gedachten Ebenen ermittelt werden, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 ausgerichtet sind.
Der Nadeldichtbereich 612 wird mithilfe eines Schleifwerkzeugs hergestellt, um für eine gewählte Oberflächenbeschaffenheit zu sorgen. Die Kontur des Nadeldichtbereichs 612 kann durch die Form jeder zweiten quer verlaufenden Querschnittsfläche und dem Verhältnis beschrieben werden, in dem die zweite quer verlaufende Querschnittsfläche über den Nadeldichtbereich 612 hinweg kleiner wird. Die zweite quer verlaufende Querschnittsfläche kann einen ersten Bereich in der gedachten Ebene aufweisen, der nahe an der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 ist, und in einem ersten Verhältnis zu einem zweiten Bereich auf der gedachten Ebene kleiner werden, die der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 gegenüberliegt. Wie vorstehend erörtert, kann dieses Verhältnis konstant oder variabel sein. In dem Fall, in dem die Form jeder zweiten Querschnittsfläche ein Kreis ist, der einen Durchmesser hat, der in einem konstanten Verhältnis kleiner wird, wie in 2 dargestellt, ist die Form des Nadeldichtbereichs 612 die eines rechtwinkligen Kegelstumpfs mit einem Öffnungswinkel 624. Selbstverständlich können verschiedene Formen für den Nadeldichtbereich 612 erzielt werden, indem die Form der zweiten quer verlaufenden Querschnittsflächen variiert wird oder indem das Verhältnis variiert wird, in dem sich die zweiten quer verlaufenden Querschnittsflächen ändern.
Der Übergangsbereich 614 weist eine dritte Querschnittsfläche auf, die quer zur Längsachse 18 verläuft. D. h. die dritte Querschnittsfläche kann in jeder der gedachten Ebenen ermittelt werden, die orthogonal zur Längsachse 18 verlaufen, die sich durch den Übergangsbereich 614 erstreckt, oder sie kann in jeder der gedachten Ebenen innerhalb des Übergangsbereichs 614 ermittelt werden, die parallel zur in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 angeordnet sind. Am häufigsten liegt der Fall vor, dass die in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche 602 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet ist, und die Längsachse 18 aus einer geraden Linie besteht, die durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 verläuft. Folglich kann die dritte Querschnittsfläche in jeder der gedachten Ebenen ermittelt werden, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 ausgerichtet sind.
Der Übergangsbereich 614 kann mithilfe eines Schleifwerkzeugs, eines Bohrers usw. hergestellt werden. Die Kontur des Übergangsbereichs 614 kann durch die Form jeder dritten quer verlaufenden Querschnittsfläche beschrieben werden und das Verhältnis, in dem die dritte quer verlaufende Querschnittsfläche über den Übergangsbereich 614 hinweg kleiner wird. Die dritte quer verlaufende Querschnittsfläche kann in einem zweiten Verhältnis vom zweiten Bereich der zweiten quer verlaufenden Querschnittsfläche zur ersten quer verlaufenden Querschnittsfläche des Bohrungsbereichs 608 kleiner werden. Wie vorstehend erörtert, kann dieses Verhältnis konstant oder variabel sein. In dem Fall, in dem die Form jeder dritten Querschnittsfläche ein Kreis ist, der einen Durchmesser hat, der in einem konstanten Verhältnis kleiner wird, wie in 2 dargestellt, ist die Form des Übergangsbereichs 614 die eines rechtwinkligen Kegelstumpfs mit einem Öffnungswinkel 626. Selbstverständlich können verschiedene Formen für den Übergangsbereich 614 erzielt werden, indem die Form der zweiten quer verlaufenden Querschnittsflächen variiert wird oder indem das Verhältnis variiert wird, in dem sich die zweiten quer verlaufenden Querschnittsflächen ändern.
Der Übergangsbereich 614 stellt ein Bearbeitungsvolumen bereit, das die Spitze des Schleifwerkzeugs aufnimmt, mit dem der Nadelbereich 612 hergestellt wird. Dementsprechend berühren nur Teile des Schleifwerkzeugs, die mit einer ausreichenden Schleifgeschwindigkeit angetrieben werden, den Nadeldichtbereich 612, wodurch mindestens eine gewählte minimale Oberflächenbeschaffenheit auf der gesamten Fläche des Nadeldichtbereichs 612 hergestellt wird.
Sobald der Übergangsbereich 614 konisch geformt ist, ist der Öffnungswinkel 624 des Nadeldichtbereichs 612 vorzugsweise größer als der Öffnungswinkel 626 des Übergangsbereichs 614. Der Öffnungswinkel 624 kann ungefähr 15° größer sein als der Öffnungswinkel 626, z. B. kann der Öffnungswinkel 624 des Nadeldichtbereichs 612 ungefähr 105° betragen und der Öffnungswinkel 626 des Übergangsbereichs 614 kann ungefähr 90° betragen. Selbstverständlich können verschiedene Kombinationen von Öffnungswinkeln unter der Voraussetzung verwendet werden, dass der Nadeldichtbereich 612 der Oberfläche 78 der Nadel 68 entspricht, so dass sich eine Abdichtung ergibt, und der Übergangsbereich 614 es erleichtert, eine gewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Nadelabdichtbereich 612 herzustellen. Zum Beispiel hat sich herausgestellt, dass, wenn der Öffnungswinkel 624 ungefähr 104° beträgt und der Öffnungswinkel 626 ungefähr 85° beträgt, die Strömungsstabilität verbessert wird. Wenn der Öffnungswinkel 626 auf einen Wert im Bereich von ungefähr 95° bis 100° vergrößert wird, nimmt die Strömungsstabilität ab und die Entfernung von Ablagerungen verbessert sich, möglicherweise infolge von Kavitation.
Neben der Bereitstellung eines Übergangs zwischen dem Nadeldichtbereich 612 und dem Bohrungsbereich 608 minimiert der Übergangsbereich 614 das Auslaufvolumen, d. h. das Bearbeitungsvolumen des Ventilsitzkanals 70, von dem aus die Oberfläche 78 der Nadel 68 den Nadeldichtbereich 612 formschlüssig mit dem Bohrungsbereich 608 verbindet. Zum Beispiel würde ein Übergangsbereich 614, der die Form eines rechtwinkligen Kreiszylinders hat, das Auslaufvolumen im Vergleich zu einem rechtwinkligen Konus, wie er in 2 dargestellt ist, in unerwünschter Weise vergrößern.
Es wird nun auf die 2 und 4 Bezug genommen; die Kontur am Übergang zwischen der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 und dem Bohrungsbereich 608 kann eine scharfe Kante sein, um die Ablösung von Brennraumablagerungen zu erleichtern, die sich auf der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 bilden. Insbesondere verhindert eine scharfe Kante, dass auf der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 gebildete Brennraumablagerungen sich weiterhin auf dem Bohrungsbereich 608 ansammeln. D. h. das Muster der Ablagerungsbildung verläuft nicht von der im Wesentlichen ebenen Fläche der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 bis auf die im Wesentlichen zylindrische Fläche des Öffnungsbereichs 608. Stattdessen führt ein ständiger Aufbau von Ablagerungen auf der Kontur von der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 und dem Bohrungsbereich 608 zu einer Ablagerungsbildung, die ohne weiteres durch den Hochdruck-Brennstoffstrahl abgelöst werden kann, der durch den Bohrungsbereich 608 geführt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine scharfe Kante durch eine Kontur definiert werden, die eine umlaufende angefaste Kante 606 umfasst, die die senkrecht aufeinander stehenden Flächen der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 und des Bohrungsbereichs 608 verbindet. Die angefaste Kante 606 kann ungefähr 0,02 mm lang sein und mit 45° in Beziehung zu jeder dieser senkrecht aufeinander stehenden Flächen ausgerichtet sein.
Es wird auf 5 Bezug genommen; Beschichtungen, die die Oberflächenenergie senken oder die Oberflächenreaktivität reduzieren, können auch die Bildung von Brennraumablagerungen beeinflussen. Bestimmte Flächen von Ventilsitz 64 können beschichtet sein, allerdings kann das Vorhandensein einer Beschichtung bestimmte maßgebliche Flächen von Ventilsitz 64 ungünstig beeinflussen. Zum Beispiel können Beschichtungen die Wirksamkeit der Dichtung zwischen Ventilsitz und Nadel vermindern oder die Verbindung von Ventilsitz 64 in Bezug auf den Ventilkörper 52 behindern. Ein Brennstoffeinspritzventilsitzwerkstück, d. h. ein Ventilsitz 64, der die in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche 602, die in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche 604 und den unbearbeiteten Kanal 70 (vor dem Schleifen des Nadeldichtbereichs 612) umfasst, ist beschichtet oder plattiert. Es kann eine Abdeckung verwendet werden, um zu verhindern, dass die Beschichtung auf eine äußere umlaufende Fläche von Ventilsitz 64 aufgebracht wird. Eine Abdeckung kann ferner verwendet werden, um die Aufbringung der Beschichtung auf einen Bereich der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 zu verhindern, die sich an der äußeren umlaufenden Fläche befindet. Diese abgedeckten Bereiche können anschließend verwendet werden, um den Ventilsitz 64 in Bezug auf den Ventilkörper 52 zu befestigen. Das Schleifen des Nadeldichtbereichs 612 entfernt die aufgebrachte Beschichtung im Bereich des maßgeblichen Dichtbands. Demzufolge ist der Ventilsitz 64 an den Bereichen beschichtet, wo es zur Verhinderung der Bildung von Ablagerungen am nötigsten ist, und ist am maßgeblichen Dichtbandbereich und dem Ventilsitzbefestigungsbereich unbeschichtet. Die Beschichtung kann eine kohlenstoffbasierte Beschichtung sein, wie sie etwa unter dem Handelsnamen SICON vertrieben wird, und sie kann durch herkömmliche Aufdampfungsverfahren aufgebracht werden. Die Beschichtung kann auch auf Basis von fluorhaltigen Kunststoffen, auf Aluminiumbasis oder keramisch sein. Die formschlüssig aufsitzende Nadel 68 kann ebenfalls beschichtet sein oder unbeschichtet sein.
Das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 umfasst die Herstellung des Ventilsitzes 64, der die in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche 602, die in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche 604 und den Ventilsitzkanal 70 umfasst, der zwischen der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche 602 und der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 verläuft. Das Verfahren beinhaltet ferner die Herstellung der Bohrungsbereichs 608 und des Übergangsbereichs 614 innerhalb des Kanals 70. Bevor eine Beschichtung auf den Ventilsitz 64 aufgebracht wird, kann der Nadeldichtbereich 612 unbearbeitet hergestellt werden und die Kontur mit der scharfen Kante 606 kann zwischen der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche 604 und dem Bohrungsbereich 608 hergestellt werden. Der Bohrungsbereich 608, der unbearbeitet hergestellte Nadeldichtbereich 612 und der Übergangsbereich 614 können in jeder beliebigen Reihenfolge und mit jedem beliebigen Verfahren, z. B. Bohren, Drehen usw., hergestellt werden. Darüber hinaus kann jede Kombination des Bohrungsbereichs 608, des unbearbeitet hergestellten Nadeldichtbereichs 612 und des Übergangsbereichs 614 gleichzeitig in einem Arbeitsschritt hergestellt werden bzw. es können alle Bereiche in einem Einzel-Arbeitsschritt hergestellt werden. Als nächstes kann der Ventilsitz 64 abgedeckt werden und die Beschichtung auf den Ventilsitz 64 aufgebracht werden. Danach kann die Abdeckung vom Ventilsitz 64 entfernt werden und kann die gewählte Oberflächenbeschaffenheit des Nadeldichtbereichs 612 durch Schleifen hergestellt werden. Alternativ kann der Nadeldichtbereich 612 mit der gewählten Oberflächenbeschaffenheit in einem einzigen Schritt hergestellt werden, d. h. ohne den Nadeldichtbereich 612 separat unbearbeitet herzustellen. Der Übergangsbereich 614 bietet das Bearbeitungsvolumen für das Schleifwerkzeug, das erforderlich ist, um die gewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Nadeldichtbereich 612 herzustellen. Darüber hinaus minimiert, wie vorstehend erörtert, der Übergangsbereich ferner das Auslaufvolumen. Der Ventilsitz 64 ist jetzt bereit, um in Bezug auf den Ventilkörper 52 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 angebracht zu werden.
Eine Reihe von Faktoren werden ausgewertet, um zu entscheiden, ob es notwendig ist, den Übergangsbereich 614 zwischen dem Bohrungsbereich 608 und dem Nadeldichtbereich 612 vorzusehen. Zu diesen Faktoren gehören die erste quer verlaufende Querschnittsfläche des Bohrungsbereichs 608, der Öffnungswinkel des Nadeldichtbereichs 612 und die gewählte Oberflächenbeschaffenheit, die auf dem Nadeldichtbereich 612 bereitgestellt werden soll.
Die Oberflächenbeschaffenheit bzw. Oberflächentextur eines Materials ist ein Maß für die Rauheit, die durch einen Wert angegeben wird, der die durchschnittliche arithmetische Abweichung kleinster Oberflächenunregelmäßigkeiten von einer hypothetischen perfekten Oberfläche ist. Die Rauheit wird in Mikrometer ausgedrückt.
Für ein drehendes Schleifwerkzeug variiert die lineare Geschwindigkeit als eine Funktion des radialen Abstands von einer Drehachse. Daher besteht, wenn die Oberflächenbeschaffenheit zu rau ist, die durch ein drehendes Schleifwerkzeug in einem radialen Abstand erzeugt wird, der der Kante der ersten quer verlaufenden Querschnittsfläche entspricht, Bedarf für einen Übergangsbereich 614 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Übergangsbereich 614 bietet ein Bearbeitungsvolumen, das relativ nah an der Drehachse eines drehenden Schleifwerkzeugs ist, und in dem das Schleifwerkzeug den Ventilsitz 64 nicht berührt. Daher kommen nur diejenigen Durchmesser eines drehenden Schleifwerkzeugs zum Einsatz, die sich mit einer ausreichenden Schleifgeschwindigkeit bewegen, um die gewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Nadelsitzbereich 612 bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für einen Nadeldichtbereich 612 mit einem Öffnungswinkel von ungefähr 105° ein Übergangsbereich 614 benötigt, wenn das Verhältnis der ersten quer verlaufenden Querschnittsfläche zur ersten Fläche der zweiten quer verlaufenden Querschnittsfläche kleiner als 0,5 ist.
Selbstverständlich wird, wenn der Nadeldichtbereich 612 mittels eines Verfahrens hergestellt werden soll, bei dem etwas anderes als ein drehendes Schleifwerkzeug verwendet wird, oder die Form der zweiten quer verlaufenden Querschnittsflächen nicht kreisförmig ist, über die Notwendigkeit eines Übergangsbereichs 614 entschieden, indem die Güte der Oberflächenbeschaffenheit an der Kontur zwischen dem Nadeldichtbereich 612 und dem Bohrungsbereich 608 beurteilt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen offenbart wurde, sind zahlreiche Modifikationen, Varianten oder Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne die Aufgabenstellung und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen zu verlassen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern sich auf den uneingeschränkten Schutzbereich erstreckt, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Brennstoffeinspritzventilsitz (64), der Folgendes umfasst: eine in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche (602); eine in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche (604), die in einem Abstand zu der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche angeordnet ist; einen Kanal (70), der entlang einer Achse zwischen der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche und der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche verläuft, wobei der Kanal einen Bohrungsbereich (608) an der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche und einen Dichtbereich (612) an der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche aufweist; und eine Beschichtung auf ausgewählten Flächen des Ventilsitzes zum Schutz vor Ablagerungsbildung, wobei die ausgewählten Flächen den Bohrungsbereich einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Flächen nicht den Nadeldichtbereich (612) umfassen; und wobei die ausgewählten Flächen ferner die in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche einschließen und/oder einen radialen umlaufenden inneren Bereich der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche am Bohrungsbereich.
Brennstoffeinspritzventilsitz nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: einen Übergangsbereich (614), der zwischen dem Bohrungsbereich (608) und dem Nadeldichtbereich (612) angeordnet ist, wobei die ausgewählten Flächen ferner den Übergangsbereich umfassen.
Brennstoffeinspritzventilsitz nach Anspruch 2, der ferner die ausgewählten Flächen einschließlich der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche (604) umfasst.
Brennstoffeinspritzventilsitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung die Oberflächenenergie auf den ausgewählten Flächen reduziert.
Brennstoffeinspritzventilsitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung die Oberflächenreaktivität auf den ausgewählten Flächen reduziert.
Brennstoffeinspritzventilsitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung kohlenstoffbasiert ist.
Brennstoffeinspritzventil (14), das einen Eintrittsbereich (12), einen Austrittsbereich (14) und einen Durchflusspfad (16) aufweist, der eine Durchleitung des Brennstoffflusses vom Eintrittsbereich zum Austrittsbereich bereitstellt, wobei das Brennstoffeinspritzventil Folgendes umfasst: eine Nadel (68), die in dem Durchflusspfad angeordnet werden kann zwischen einer ersten Stellung, die den Durchflusspfad blockiert, und einer zweiten Stellung, die den Brennstofffluss ermöglicht; und einen Ventilsitz (64) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, auf dem die Nadel in der ersten Stellung formschlüssig aufsitzt.
Brennstoffeinspritzventilsitz nach Anspruch 7, bei dem die Nadel die Beschichtung umfasst.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 oder 8, das ferner Folgendes umfasst: einen Übergangsbereich (614), der zwischen dem Bohrungsbereich (608) und dem Nadeldichtbereich (612) angeordnet ist, wobei die ausgewählten Flächen ferner den Übergangsbereich umfassen.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffeinspritzventilsitzes nach einem der vorhergehenden Ansprüche aus einem Werkstück, wobei das Werkstück eine in Strömungsrichtung vorgelagerte Fläche, eine in Strömungsrichtung nachgelagerte Fläche und eine umlaufende Fläche umfasst, die zwischen der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche und der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche verläuft, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Herstellen eines Kanals durch das Werkstück, wobei der Kanal entlang einer Achse zwischen der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche und der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche verläuft; Abdecken der umlaufenden Fläche des Werkstücks; Aufbringen einer die Oberflächenenergie reduzierenden Beschichtung auf das Werkstück; und Schleifen eines Dichtbereichs des Kanals an der in Strömungsrichtung vorgelagerten Fläche, wobei das Schleifen die Beschichtung entfernt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Herstellen des Kanals folgende Schritte umfasst: in dem Kanal Herstellen eines Bohrungsbereichs an der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche; in dem Kanal Herstellen einer unbearbeiteten angenäherten Kontur des Dichtbereichs; und in dem Kanal Herstellen eines Übergangsbereichs, der zwischen dem Bohrungsbereich und der unbearbeiteten angenäherten Kontur des Dichtbereichs angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Schleifen beinhaltet, dass die unbearbeitete angenäherte Kontur des Dichtbereichs geschliffen wird, um eine ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Dichtbereich bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner folgende Schritte umfasst: Abdecken eines umlaufenden Flächenbereichs der in Strömungsrichtung nachgelagerten Fläche, die sich an der umlaufenden Fläche befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner folgende Schritte umfasst: Entfernen der Abdeckung, um einen unbeschichteten Bereich des Werkstücks bereitzustellen.