DE60027288T2

DE60027288T2 - Brennstoffeinspritzventilsitz mit einer scharfen kante

Info

Publication number: DE60027288T2
Application number: DE60027288T
Authority: DE
Inventors: James Williams Williamsburg IMOEHL; Bryan Newport News Hall
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: KR100431766B1; US6311901B1; DE60023127T2; EP1173672A1; EP1175558B1; EP1175559B1; EP1175560A1; KR20010108451A; US20020030124A1; JP2002543330A; EP1175560B8; EP1173672B1; EP1175559A1; DE60021372D1; WO2000065227A1; AU4665000A; WO2000065226A1; WO2000065228A9; WO2000065225A9; US20020050536A1

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität in Bezug auf die vorläufige US-Patentanmeldung Nr. 60/131,251, die am 27. April 1999 eingereicht wurde.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe und spezieller eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe, welche einen Sitz umfasst, der eine Reihe von Merkmalen aufweist, die dazu dienen, die Bildung von Brennkammerablagerungen auf dem Sitz auf ein Minimum zu begrenzen. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Anordnung und Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes.
Hintergrund der Erfindung
Kraftstoffeinspritzventile werden traditionell verwendet, um für einen dosierten Strom von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine zu sorgen. Im Falle von Direkteinspritzsystemen erstreckt sich ein Hochdruckeinspritzventil in die Brennkammer hinein. Daher neigt eine stromabwärts befindliche Seite des Sitzes des Kraftstoffeinspritzventils zur Bildung von Brennkammerablagerungen. Es ist wünschenswert, diese Bildung von Ablagerungen auf ein Minimum zu begrenzen, um die beabsichtigte Funktion des Kraftstoffeinspritzventils aufrecht zu erhalten.
Für die beabsichtigte Funktion ist es entscheidend, dass der Sitz eine Dichtfläche aufweist, die dazu bestimmt ist, an einem verschiebbaren Verschlusselement, z. B. einer Nadel einer herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe, zur Anlage zu kommen. In einer ersten Position des Verschlusselements relativ zum Sitz, d. h. wenn das Verschlusselement unmittelbar am Sitz anliegt, wird ein Kraftstofffluss durch das Einspritzventil hindurch verhindert. In einer zweiten Position des Verschlusselements relativ zum Sitz, d. h. wenn das Verschlusselement vom Sitz getrennt ist, wird ein Kraftstofffluss durch das Einspritzventil hindurch ermöglicht.
Um eine Dichtfläche zur Verfügung zu stellen, ist es bekannt, den Sitz mit einem konischen Abschnitt zu versehen, der einen gewünschten eingeschlossenen Winkel aufweist. Üblicherweise werden Schleifwerkzeuge mit einer konischen Form verwendet, um den konischen Abschnitt zu schleifen. Es ist außerdem bekannt, dass die Qualität einer Oberflächenbearbeitung mit der Schleifgeschwindigkeit im Zusammenhang steht. Im Falle von Schleifwerkzeugen mit konischer Form nimmt die Schleifgeschwindigkeit zum Scheitelpunkt der Werkzeuge hin ab.
Im Falle von Kraftstoffeinspritzventilsitzen mit einer kleinen Düsenöffnung ist die Geschwindigkeit des Schleifwerkzeuges am Rand der Öffnung unzureichend. Somit können herkömmliche Schleifarbeitsgänge keine ausgewählte Oberflächengüte an herkömmlichen konischen Abschnitten liefern.
In US 5241938 wird ein Kraftstoffeinspritzventilsitz beschrieben, der eine Übergangsstelle zwischen einer Düsenöffnung und einer stromabwärts befindlichen Seite aufweist, die eine scharfe Kante definiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der Sitze in herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen und stellt eine Anzahl von Merkmalen bereit, um die Bildung von Brennkammerablagerungen auf ein Minimum zu begrenzen.
Gemäß der Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventilsitz bereitgestellt, welcher umfasst: eine stromaufwärts befindliche Seite; eine stromabwärts befindliche Seite, die in einem Abstand von der stromaufwärts befindlichen Seite angeordnet ist; einen Durchlass, der sich entlang einer Achse zwischen der stromaufwärts befindlichen Seite und der stromabwärts befindlichen Seite erstreckt, wobei der Durchlass eine Öffnungsabschnitt aufweist, der sich in der Nähe der stromabwärts befindlichen Seite befindet; und durch eine Übergangsstelle gekennzeichnet ist, die eine Kante zwischen dem Öffnungsabschnitt und der stromabwärts befindlichen Seite definiert, wobei die Übergangsstelle eine Abschrägung aufweist. Dies erleichtert das Entfernen von Brennkammerablagerungen, die sich in der Nähe der Kante ansammeln können.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem herkömmlichen konischen Abschnitt und der Öffnung ein Übergangsabschnitt eingefügt, wodurch ein zusätzliches Volumen zur Verfügung gestellt wird, in welchem der Scheitelpunkt des herkömmlichen Schleifwerkzeugs rotiert.
Jedoch beeinflusst ein überschüssiges Blindlochvolumen, d. h. das Volumen des Kraftstoffdurchlasses zwischen dem Dichtband (d. h. der Nadel-Sitz-Dichtung) und der Öffnung, die Bildung von Brennkammerablagerungen auf dem stromabwärts befindlichen Sitz nachteilig. Somit begrenzt gemäß der vorliegenden Erfindung der Übergangsabschnitt auch das Blindlochvolumen auf ein Minimum.
Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventilsitz im Hinblick auf die Notwendigkeit und Gestaltung eines Übergangsabschnittes bewertet. Diese Bewertung beruht auf verschiedenen Faktoren, zu denen die Größe der Öffnung und der von dem konischen Dichtabschnitt definierte eingeschlossene Winkel gehören.
Außerdem weist gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventilsitz eine Beschichtung auf, um die Bildung von Brennkammerablagerungen in einer ersten Gruppe von kritischen Bereichen unter Kontrolle zu halten, und ist in einer zweiten Gruppe von kritischen Bereichen unbeschichtet, um die Befestigung und Funktion des Sitzes zu erleichtern.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes bereitgestellt, wie es in dem unabhängigen Verfahrensanspruch dargelegt ist.
Der Begriff "Achse" wird hier in dem Sinne verwendet, dass er als eine Mittellinie definiert ist, auf welche bei der Beschreibung von Teilen eines Körpers oder einer Fläche Bezug genommen werden kann. Dieser Begriff ist nicht auf Geraden beschränkt, sondern kann auch gekrümmte Linien oder zusammengesetzte Linien, die aus einer Kombination von gekrümmten und geradlinigen Abschnitten gebildet werden, einschließen.
Der Begriff "Geschwindigkeit" wird hier in dem Sinne verwendet, dass er als ein Wert definiert ist, welcher die Änderungen einer ersten Größe im Zusammenhang mit einer zweiten Größe beschreibt. Zum Beispiel kann sich in Verbindung mit der Beschreibung eines Volumens "Geschwindigkeit" auf Änderungen der Querschnittsfläche des Volumens im Zusammenhang mit Positionsänderungen entlang der Achse des Volumens beziehen. Der Begriff "Geschwindigkeit" ist nicht auf konstante Werte beschränkt, sondern kann auch werte einschließen, welche variieren.
Der Ausdruck "eingeschlossener Winkel" wird hier in dem Sinne verwendet, dass er als ein Messwert der Winkelbeziehung zwischen zwei Teilstücken eines Körpers definiert ist, wenn ein Querschnitt des Körpers in einer Ebene betrachtet wird, welche die Achse des Körpers enthält. Im Allgemeinen halbiert die Achse den eingeschlossenen Winkel.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, welche mit in diese Anmeldung einbezogen sind und einen Bestandteil dieser Patentbeschreibung darstellen, zeigen gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der weiter oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der weiter unten gegebenen ausführlichen Beschreibung dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern.
1 ist eine Schnittdarstellung einer Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe der vorliegenden Erfindung entlang ihrer Längsachse; und
2 ist ein vergrößerter Teil der Schnittdarstellung der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe von 1, welche einen Sitz und einen Drallerzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine graphische Darstellung, welche die Abnahme des Kraftstoffflusses als Funktion des Verhältnisses von Öffnungslänge zu Öffnungsdurchmesser für verschiedene Beispiele von Kraftstoffeinspritzventilen zeigt.
4 ist eine Detailansicht eines Sitzabschnittes, welcher in 2 mit IV bezeichnet ist.
5 ist eine schematische Darstellung des Sitzes gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die kritischen Bereiche des Sitzes, welche beschichtet sind, und die kritischen Bereiche des Sitzes, welche nicht beschichtet sind, angegeben sind.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) 1 zeigt eine Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10, wie etwa eine Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe mit Hochdruck-Direkteinspritzung 10. Die Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 weist ein Gehäuse auf, welches einen Kraftstoffeinlass 12, einen Kraftstoffauslass 14 und einen sich vom Kraftstoffeinlass 12 zum Kraftstoffauslass 14 entlang einer Längsachse 18 erstreckenden Kraftstoff- Durchflusskanal 16 umfasst. Das Gehäuse weist ein mittels Overmolding-Technologie (Überspritzen) hergestelltes Kunststoffelement 20 auf, welches ein Stützelement 22 aus Metall umschließt.
Innerhalb des durch Überspritzen hergestellten Kunststoffelements 20 ist ein Kraftstoffeinlasselement 24 mit einem Einlasskanal 26 angeordnet. Der Einlasskanal 26 ist Bestandteil des Kraftstoff-Durchflusskanals 16 der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10. Im Einlasskanal 26 sind ein Kraftstofffilter 28 und ein einstellbares Rohr 30 vorgesehen. Das einstellbare Rohr 30 kann, bevor es in seiner endgültigen Position befestigt wird, entlang der Längsachse 18 bewegt werden, wodurch die Länge einer Ankervorspannfeder 32 variiert wird. In Kombination mit anderen Faktoren steuert die Länge der Feder 32 und folglich die auf den Anker wirkende Vorspannkraft die Menge des Kraftstoffflusses durch das Einspritzventil. Das durch Überspritzen hergestellte Kunststoffelement 20 trägt außerdem eine Steckerbuchse 20a, welche einen Stecker (nicht dargestellt) zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 und einer äußeren Quelle eines elektrischen Potentials wie etwa einem elektronischen Steuergerät (nicht dargestellt) aufnimmt. In einer Nut an einer Außenseite des Einlasselements 24 ist ein O-Ring 34 aus Elastomer vorgesehen. Der O-Ring 34 wird von einem Stützring 38 gestützt, um das Einlasselement 24 abgedichtet an einem Kraftstoffzufuhrelement wie etwa einer Kraftstoff-Verteilerleitung (nicht dargestellt) zu befestigen.
Das metallische Stützelement 22 umschließt eine Spulenbaugruppe 40. Die Spulenbaugruppe 40 umfasst einen Spulenkörper 42, welcher eine Spule 44 hält. Die Enden der Spulenbaugruppe 40 sind elektrisch mit Kontaktstiften 40a verbunden, die in der Steckerbuchse 20a des durch Überspritzen hergestellten Kunststoffelements 20 angebracht sind. Ein Anker 46 ist so abgestützt, dass er eine Bewegung entlang der Achse 18 relativ zum Einlasselement 24 ausführen kann. Der Anker 46 wird von einem Abstandsstück 48, einer Ventilkörperhülle 50 und einem Ventilkörper 52 gestützt. Der Anker 46 weist einen Ankerkanal 54 auf, der mit dem Einlasskanal 26 in Fließverbindung steht.
Das Abstandsstück 48 steht mit der Ventilkörperhülle 50 in Eingriff, welche mit dem Ventilkörper 52 in Eingriff steht. An einem Einlassabschnitt 60 des Ventilkörpers 52 befindet sich eine Ankerführungsöse 56. Ein sich axial erstreckender Ventilkörperkanal 58 verbindet den Einlassabschnitt 60 des Ventilkörpers 52 mit einem Auslassabschnitt 62 des Ventilkörpers 52. Der Ankerkanal 54 des Ankers 46 steht mit dem Ventilkörperkanal 58 des Ventilkörpers 52 in Fließverbindung. Ein Ventilsitz 64, welcher vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht, ist am Auslassabschnitt 62 des Ventilkörpers 52 angebracht.
Der Ventilkörper 52 weist einen Halsabschnitt 66 auf, welcher sich zwischen dem Einlassabschnitt 60 und dem Auslassabschnitt 62 erstreckt. Der Halsabschnitt 66 kann ein Ring sein, welcher eine Nadel 68 umgibt. Die Nadel 68 steht mit dem Anker 46 in Wirkverbindung und kann eine im Wesentlichen zylindrische Nadel 68 sein. Die zylindrische Nadel 68 ist mittig innerhalb des Halsabschnittes und in einem Abstand von diesem angeordnet, so dass sie einen Abschnitt des Ventilkörperkanals 58 definiert. Die zylindrische Nadel 68 ist axial bezüglich der Längsachse 18 der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 ausgerichtet.
Die Funktionsweise der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 beruht auf einer magnetischen Kopplung des Ankers 46 mit demjenigen Ende des Einlasselements 26, welches dem Einlassabschnitt 60 des Ventilkörpers 52 am nächsten ist.
Somit dient der untere Abschnitt des Einlasselements 26, der sich in der Nähe des Ankers 46 befindet, als Teil des Magnetkreises, der zusammen mit dem Anker 46 und der Spulenbaugruppe 40 gebildet wird. Der Anker 46 wird durch die Ankerführungsöse 56 geführt und reagiert auf eine von der Spulenbaugruppe 40 erzeugte elektromagnetische Kraft, so dass eine axial hin- und hergehende Bewegung des Ankers 46 entlang der Längsachse 18 der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 bewirkt wird. Die elektromagnetische Kraft wird durch einen Stromfluss vom elektronischen Steuergerät (nicht dargestellt) durch die Spulenbaugruppe 40 erzeugt. Durch die Bewegung des Ankers 46 wird auch die wirksam an ihm befestigte Nadel 68 in Positionen bewegt, in denen sie entweder vom Ventilsitz 64 getrennt ist oder unmittelbar an ihm anliegt. Hierdurch wird der Ventilsitzdurchlass 70 des Ventilsitzes 64 geöffnet bzw. geschlossen, was das Fließen von Kraftstoff durch den Kraftstoffauslass 14 des Kraftstoffeinspritzventils 10 ermöglicht bzw. verhindert. Die Nadel 68 weist eine gekrümmte Fläche 78 auf, welche eine teilweise sphärische Form haben kann und dazu bestimmt ist, an einem konischen Abschnitt 72 des Ventilsitzdurchlasses 70 zur Anlage zu kommen. Natürlich können auch andere Formen für die Spitze der Nadel 68 und den Ventilsitzdurchlass 70 verwendet werden, vorausgesetzt dass, wenn sie sich in Eingriff befinden, ein Kraftstofffluss durch den Ventilsitz 64 hindurch verhindert wird.
Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen; im Ventilkörperkanal 58 befindet sich in der Nähe des Ventilsitzes 64 ein Drallerzeuger 74. Der Drallerzeuger 74 ermöglicht, dass der Kraftstoff am Ventilsitz 64 ein Drallmuster bildet. Zum Beispiel kann der Kraftstoff am konischen Abschnitt 72 des Ventilsitzdurchlasses 70 verwirbelt werden, um ein gewünschtes Spritzbild zu erzeugen. Der Drallerzeuger 74 ist vorzugsweise aus einem Paar flacher Scheiben konstruiert, einer Führungsscheibe 76 und einer Drallscheibe 78. Der Drallerzeuger 74 definiert einen Kontaktbereich zwischen dem Ventilsitz 64 und dem Ventilkörper 52. Die Führungsscheibe 76 sorgt für eine Abstützung für die Nadel 68.
Die Nadel 68 wird in einer zentralen Öffnung 80 der Führungsscheibe 76 geführt. Die Führungsscheibe 76 weist eine Vielzahl von Kraftstoffdurchlassöffnungen auf, durch die Kraftstoff aus dem Ventilkörperkanal 58 zur Drallscheibe 78 strömt. Die Drallscheibe 78 erhält Kraftstoff aus den Kraftstoffdurchlassöffnungen in der Führungsscheibe 76 und gibt dem Kraftstofffluss eine tangentiale Richtung zum Ventilsitzdurchlass 70 des Ventilsitzes 64 hin. Die Führungsscheibe 76 und die Drallscheibe 78, welche den Drallerzeuger 74 bilden, sind an einer stromaufwärts befindlichen Seite 602 des Ventilsitzes 64 befestigt, vorzugsweise durch Laserschweißen.
Kraftstoff, welcher vom Kraftstoffeinspritzventil 10 eingespritzt werden soll, wird von der Kraftstoffeinlassquelle (nicht dargestellt) zum Kraftstoffeinlass 12 und durch den Kraftstoff-Durchflusskanal 16 transportiert und strömt aus dem Kraftstoffauslass 14 aus. Der Kraftstoff-Durchflusskanal 16 umfasst den Einlasskanal 26 des Einlasselements 24, den Ankerkanal 54 des Ankers 46, den Ventilkörperkanal 58 des Ventilkörpers 52, die Führungsscheibe 76 und die Drallscheibe 78 des Drallerzeugers 74 und den Ventilsitzdurchlass 70 des Ventilsitzes 64. In einem Hochdruck-Direkteinspritzsystem wird Kraftstoff von der Einlassquelle in einem Betriebsbereich etwa zwischen 700 psi und 2000 psi zugeführt.
Es wird speziell auf 2 Bezug genommen; der Ventilsitzdurchlass 70 des Ventilsitzes 64 erstreckt sich zwischen der stromaufwärts befindlichen Seite 602 des Ventilsitzes 64 und der stromabwärts befindlichen Seite 604 des Ventilsitzes 64. Der Ventilsitzdurchlass 70 umfasst einen Öffnungsabschnitt 608, einen Nadeldichtabschnitt 612 und einen Übergangsabschnitt 614. Der Nadeldichtabschnitt 612 ist in der Nähe der ersten Seite 602 angeordnet, der Öffnungsabschnitt 608 ist in der Nähe der stromabwärts befindlichen Seite 604 angeordnet und der Übergangsabschnitt 614 ist zwischen dem Öffnungsabschnitt 608 und dem Nadeldichtabschnitt 612 angeordnet.
Der Öffnungsabschnitt 608 weist eine erste Querschnittsfläche quer zur Längsachse 18 auf. Das heißt, die erste Querschnittsfläche kann in jeder der imaginären Ebenen gemessen werden kann, welche entlang des Verlaufs der Längsachse 18 durch den Öffnungsabschnitt 608 orthogonal zu dieser ausgerichtet sind, oder sie kann in jeder der imaginären Ebenen innerhalb des Öffnungsabschnitts 608 gemessen werden, welche parallel zu der stromabwärts befindlichen Seite 604 sind. Am häufigsten liegt der Fall vor, dass die stromabwärts befindliche Seite 604 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 ausgerichtet ist und die Längsachse 18 aus einer Geraden besteht, die sich durch die gesamte Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 hindurch erstreckt. Demzufolge kann die erste Querschnittsfläche in jeder der imaginären Ebenen gemessen werden, welche sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur stromabwärts befindlichen Seite 604 ausgerichtet sind.
Die erste Querschnittsfläche kann im Wesentlichen einheitlich im gesamten Öffnungsabschnitt 608 sein. Zum Beispiel kann die erste Querschnittsfläche ein Kreis mit einem Durchmesser D sein, und der Öffnungsabschnitt 608 kann sich entlang der Längsachse 18 über eine Entfernung L erstrecken. Somit umfasst der Öffnungsabschnitt 608 in dem oben beschriebenen häufigsten Fall einen geraden Kreiszylinder. Experimentell wurde ermittelt, dass wünschenswerte Betriebskenndaten für die Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 erreicht werden, wenn das Verhältnis der Länge L zum Durchmesser D, d. h. L/D, für den Öffnungsabschnitt 608 nahe bei 0,3 liegt, jedoch nicht kleiner als 0,3 ist. 3 ist eine empirische graphische Darstellung von Messdaten der Strömungseffizienz als Funktion des Verhältnisses L/D.
Der Nadeldichtabschnitt 612 weist eine zweite Querschnittsfläche quer zur Längsachse 18 auf. Das heißt, die zweite Querschnittsfläche kann in jeder der imaginären Ebenen gemessen werden kann, welche entlang des Verlaufs der Längsachse 18 durch den Nadeldichtabschnitt 612 orthogonal zu dieser ausgerichtet sind, oder sie kann in jeder der imaginären Ebenen innerhalb des Nadeldichtabschnitts 612 gemessen werden, welche parallel zu der stromaufwärts befindlichen Seite 602 sind. Am häufigsten liegt der Fall vor, dass die stromaufwärts befindliche Seite 602 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 ausgerichtet ist und die Längsachse 18 aus einer Geraden besteht, die sich durch die gesamte Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 hindurch erstreckt. Demzufolge kann die zweite Querschnittsfläche in jeder der imaginären Ebenen gemessen werden, welche sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur stromaufwärts befindlichen Seite 602 ausgerichtet sind.
Der Nadeldichtabschnitt 612 wird von einem Schleifwerkzeug geformt, derart, dass für eine ausgewählte Oberflächengüte gesorgt wird. Die Kontur des Nadeldichtabschnittes 612 kann durch die Form jeder zweiten Querschnittsfläche und die Geschwindigkeit, mit welcher die zweite Querschnittsfläche entlang des gesamten Nadeldichtabschnittes 612 abnimmt, beschrieben werden. Die zweite Querschnittsfläche kann eine erste Fläche in der imaginären Ebene haben, welche sich in der Nähe der stromaufwärts befindlichen Seite 602 befindet, und mit einer ersten Geschwindigkeit zu einer zweiten Fläche in der imaginären Ebene hin abnehmen, welche von der stromaufwärts befindlichen Seite 602 entfernt ist. Wie oben erörtert wurde, kann diese Geschwindigkeit konstant oder variabel sein. In dem Falle, wenn die Form jeder zweiten Querschnittsfläche ein Kreis mit einem Durchmesser ist, welcher mit einer konstanten Geschwindigkeit abnimmt, wie in 2 dargestellt, ist die Form des Nadeldichtabschnittes 612 die eines geraden Kegelstumpfes mit einem eingeschlossenen Winkel 624. Natürlich können unterschiedliche Formen für den Nadeldichtabschnitt 612 erhalten werden, indem man die Form der zweiten Querschnittsflächen verändert oder indem man die Geschwindigkeit verändert, mit welcher sich die zweiten Querschnittsflächen ändern.
Der Übergangsabschnitt 614 weist eine dritte Querschnittsfläche quer zur Längsachse 18 auf. Das heißt, die dritte Querschnittsfläche kann in jeder der imaginären Ebenen gemessen werden, welche entlang des Verlaufs der Längsachse 18 durch den Übergangsabschnitt 614 orthogonal zu dieser ausgerichtet sind, oder sie kann in jeder der imaginären Ebenen innerhalb des Übergangsabschnitts 614 gemessen werden, welche parallel zu der stromaufwärts befindlichen Seite 602 sind. Am häufigsten liegt der Fall vor, dass die stromaufwärts befindliche Seite 602 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 ausgerichtet ist und die Längsachse 18 aus einer Geraden besteht, die sich durch die gesamte Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 hindurch erstreckt. Demzufolge kann die dritte Querschnittsfläche in jeder der imaginären Ebenen gemessen werden, welche sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur stromaufwärts befindlichen Seite 602 ausgerichtet sind.
Der Übergangsabschnitt 614 kann von einem Schleifwerkzeug, einem Bohrer usw. geformt werden. Die Kontur des Übergangsabschnittes 614 kann durch die Form jeder dritten Querschnittsfläche und die Geschwindigkeit, mit welcher die dritte Querschnittsfläche entlang des gesamten Übergangsabschnittes 614 abnimmt, beschrieben werden. Die dritte Querschnittsfläche kann mit einer zweiten Geschwindigkeit von der zweiten Fläche der zweiten Querschnittfläche zu der ersten Querschnittsfläche des Öffnungsabschnitts 608 hin abnehmen. Wie oben erörtert wurde, kann diese Geschwindigkeit konstant oder variabel sein. In dem Falle, wenn die Form jeder dritten Querschnittsfläche ein Kreis mit einem Durchmesser ist, welcher mit einer konstanten Geschwindigkeit abnimmt, wie in 2 dargestellt, ist die Form des Übergangsabschnitts 614 die eines geraden Kegelstumpfes mit einem eingeschlossenen Winkel 626. Natürlich können unterschiedliche Formen für den Übergangsabschnitt 614 erhalten werden, indem man die Form der dritten Querschnittsflächen verändert oder indem man die Geschwindigkeit verändert, mit welcher sich die dritten Querschnittsflächen ändern.
Der Übergangsabschnitt 614 stellt ein Volumen zur Verfügung, welches die Spitze des Schleifwerkzeugs aufnimmt, das den Nadeldichtabschnitt 612 formt. Folglich berühren nur Abschnitte des Schleifwerkzeugs, welche mit einer ausreichenden Schleifgeschwindigkeit angetrieben werden, den Nadeldichtabschnitt 612, wodurch zumindest eine minimale ausgewählte Oberflächengüte auf der gesamten Oberfläche des Nadeldichtabschnitts 612 erzeugt wird.
Wenn der Übergangsabschnitt 614 konisch geformt ist, ist der eingeschlossene Winkel 624 des Nadeldichtabschnitts 612 vorzugsweise größer als der eingeschlossene Winkel 626 des Übergangsabschnitts 614. Der eingeschlossene Winkel 624 kann um ungefähr 15° größer als der eingeschlossene Winkel 626 sein, z. B. kann der eingeschlossene Winkel 624 des Nadeldichtabschnitts 612 ungefähr 105° betragen, und der eingeschlossene Winkel 626 des Übergangsabschnitts 614 kann 90° betragen. Natürlich können auch andere Kombinationen von eingeschlossenen Winkeln verwendet werden, vorausgesetzt, dass der Nadeldichtabschnitt 612 mit der Fläche 78 der Nadel 68 so übereinstimmt, dass diese dicht an ihm anliegen kann, und der Übergangsabschnitt 614 es ermöglicht, für eine ausgewählte Oberflächengüte des Nadeldichtabschnittes 612 zu sorgen.
Zusätzlich dazu, dass er einen Übergang zwischen dem Nadeldichtabschnitt 612 und dem Öffnungsabschnitt 608 bildet, begrenzt der Übergangsabschnitt 614 das Blindlochvolumen auf ein Minimum, d. h. das Volumen des Ventilsitzdurchlasses 70 von der Stelle, wo die Fläche 78 der Nadel 68 an dem Nadeldichtabschnitt 612 zur Anlage kommt, bis zum Öffnungsabschnitt 608. Zum Beispiel würde ein Übergangsabschnitt 614 von der Form eines geraden Kreiszylinders, wie er etwa durch Bohren hergestellt werden könnte, das Blindlochvolumen in unerwünschtem Maße vergrößern, verglichen mit einem geraden Kegel von der in 2 dargestellten Art, welcher mit einem kegelförmigen Schleifwerkzeug in der gewünschten Form hergestellt werden kann.
Es wird nun auf die 2 und 4 Bezug genommen; die Übergangsstelle an der Verbindungsstelle der stromabwärts befindlichen Seite 604 und des Öffnungsabschnitts 608 kann eine scharfe Kante sein, um das Entfernen von Brennkammerablagerungen zu erleichtern, welche sich auf der stromabwärts befindlichen Seite 604 bilden. Insbesondere verhindert eine scharfe Kante, dass die Bildung von Brennkammerablagerungen auf der stromabwärts befindlichen Seite 604 sich mit der Ansammlung von Brennkammerablagerungen auf dem Öffnungsabschnitt 608 fortsetzt. Das heißt, das Muster der Bildung von Ablagerungen erstreckt sich nicht von der im Wesentlichen ebenen Oberfläche der stromabwärts befindlichen Seite 604 weiter auf die im Wesentlichen zylindrische Oberfläche des Öffnungsabschnitts 608. Stattdessen führt ein fortgesetzter Aufbau der Ablagerungen an der Übergangsstelle der stromabwärts befindlichen Seite 604 und des Öffnungsabschnitts 608 zu einem Gebilde, welches durch den unter Hochdruck durch den Öffnungsabschnitt 608 strömenden Kraftstoffstrahl leicht entfernt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine scharfe Kante durch eine Übergangsstelle definiert werden, die eine ringförmige angefaste Kante 606 umfasst, welche die zueinander senkrechten Oberflächen der stromabwärts befindlichen Seite 604 und des Öffnungsabschnitts 608 verbindet. Die angefaste Kante 606 kann sich über ungefähr 0,02 Millimeter erstrecken und mit jeder dieser zueinander senkrechten Oberflächen einen Winkel von 45° bilden.
Es wird auf 5 Bezug genommen; Beschichtungen, welche die Oberflächenenergie verringern, können ebenfalls die Bildung von Brennkammerablagerungen eindämmen. Gewisse Oberflächen des Ventilsitzes 64 können beschichtet sein, jedoch kann das Vorhandensein einer Beschichtung gewisse kritische Oberflächen des Ventilsitzes 64 nachteilig beeinflussen. Zum Beispiel können Beschichtungen die Wirksamkeit der Abdichtung zwischen Ventilsitz und Nadel verringern oder die Verbindung des Ventilsitzes 64 in Bezug auf den Ventilkörper 52 behindern. Ein Ventilsitz-Rohling eines Einspritzventils, d. h. ein Ventilsitz 64, welcher die stromaufwärts befindliche Seite 602, die stromabwärts befindliche Seite 604 und den unbearbeiteten Durchlass 70 (vor dem Schleifen des Nadeldichtabschnitts 612) umfasst, wird beschichtet oder plattiert. Um ein Auftragen der Beschichtung auf eine äußere Umfangsfläche des Ventilsitzes 64 zu verhindern, kann eine Abdeckung verwendet werden. Eine Abdeckung kann auch verwendet werden, um das Auftragen der Beschichtung auf einen Abschnitt der stromabwärts befindlichen Seite 604, welcher sich in der Nähe der Umfangsfläche befindet, zu verhindern. Diese abgedeckten Bereiche können anschließend verwendet werden, um den Ventilsitz 64 bezüglich des Ventilkörpers 52 zu befestigen. Das Schleifen für den Nadeldichtabschnitt 612 entfernt die aufgetragene Beschichtung im Bereich des kritischen Dichtbandes. Somit ist der Ventilsitz 64 in den Bereichen beschichtet, in denen es am notwendigsten ist, die Bildung von Ablagerungen zu verhindern, und ist im Bereich des kritischen Dichtbandes und im Bereich der Befestigung des Ventilsitzes unbeschichtet. Die Beschichtung kann eine Beschichtung auf Kohlenstoffbasis sein, wie sie unter dem Handelsnamen SICON vertrieben wird, welche mit herkömmlichen Bedampfungsverfahren aufgebracht werden kann. Die dicht anliegende Nadel 68 kann ebenfalls beschichtet sein oder unbeschichtet sein.
Das Verfahren zum Formen der Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 10 umfasst das Formen des Ventilsitzes 64, welcher die stromaufwärts befindliche Seite 602, die stromabwärts befindliche Seite 604 und den sich zwischen der stromaufwärts befindlichen Seite 602 und der stromabwärts befindlichen Seite 604 erstreckenden Ventilsitzdurchlass 70 aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Formen des Öffnungsabschnittes 608, z. B, durch Bohren, und des Formen des Übergangsabschnitts 614, z. B. durch Schleifen, innerhalb des Durchlasses 70. Der Nadeldichtabschnitt 612 kann ebenfalls zu diesem Zeitpunkt, d. h. vor dem Aufbringen einer Beschichtung auf den Ventilsitz 64, roh geformt werden. Anschließend kann der Ventilsitz 64 abgedeckt und die Beschichtung auf den Ventilsitz 64 aufgebracht werden. Danach kann die Abdeckung vom Ventilsitz 64 entfernt werden, es kann die aus einer scharfen Kante bestehende Übergangsstelle 606 zwischen der stromabwärts befindlichen Seite 604 und dem Öffnungsabschnitt 608 geformt werden, und es kann die ausgewählte Oberflächengüte des Nadeldichtabschnittes 612 durch Schleifen hergestellt werden. Stattdessen kann der Nadeldichtabschnitt 612 auch zusammen mit der ausgewählten Oberflächengüte in einem einzigen Schritt hergestellt werden, d. h. ohne ein separates rohes Formen des Nadeldichtabschnittes 612. Der Übergangsabschnitt 614 stellt das Volumen für das Schleifwerkzeug zur Verfügung, welches erforderlich ist, um die ausgewählte Oberflächengüte auf dem Nadeldichtabschnitt 612 herzustellen. Und wie oben erläutert wird, begrenzt der Übergangsabschnitt außerdem das Blindlochvolumen auf ein Minimum. Der Ventilsitz 64 ist nun bereit, um am Ventilkörper 52 der Kraftstoffeinspritzventil-Baugruppe 10 montiert zu werden.
Um zu bestimmen, ob es notwendig ist, den Übergangsabschnitt 614 zwischen dem Öffnungsabschnitt 608 und dem Nadeldichtabschnitt 612 herzustellen, wird eine Anzahl von Faktoren ausgewertet. Zu diesen Faktoren gehören die erste Querschnittsfläche des Öffnungsabschnitts 608, der eingeschlossene Winkel des Nadeldichtabschnittes 612 und die ausgewählte Oberflächengüte, die auf dem Nadeldichtabschnitt 612 vorgesehen werden soll.
Die Oberflächengüte oder Oberflächentextur eines Werkstoffes ist ein Maß der Rauhigkeit, welches als ein Wert angegeben wird, welcher der arithmetische Mittelwert der Abweichung winziger Unregelmäßigkeiten der Oberfläche von einer hypothetischen perfekten Oberfläche ist. Die Rauhigkeit wird in Mikrometern ausgedrückt.
Für ein rotierendes Schleifwerkzeug ändert sich die lineare Geschwindigkeit als Funktion des radialen Abstands von der Rotationsachse. Wenn die Oberflächengüte, die von einem rotierenden Schleifwerkzeug in einem dem Rand der ersten Querschnittsfläche entsprechenden radialen Abstand hergestellt wird, zu rau ist, ist daher ein Übergangsabschnitt 614 gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich.
Der Übergangsabschnitt 614 liefert ein Volumen, welches sich relativ nahe bei der Rotationsachse für ein rotierendes Schleifwerkzeug befindet und in welchem das Schleifwerkzeug den Ventilsitz 64 nicht berührt. Folglich werden nur diejenigen Durchmesser eines rotierenden Schleifwerkzeuges, welche sich mit einer ausreichenden Schleifgeschwindigkeit bewegen, verwendet, um für die ausgewählte Oberflächengüte auf dem Nadeldichtabschnitt 612 zu sorgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist für einen Nadeldichtabschnitt 612, der einen eingeschlossenen Winkel von 105° aufweist, ein Übergangsabschnitt 614 erforderlich, wenn das Verhältnis der ersten Querschnittsfläche zur ersten Fläche der zweiten Querschnittsfläche kleiner als 0,5 ist.
Natürlich wird, wenn der Nadeldichtabschnitt 612 mittels eines Verfahrens hergestellt werden soll, bei dem etwas anderes verwendet wird als ein rotierendes Schleifwerkzeug, oder wenn die Form der zweiten Querschnittsfläche nicht kreisförmig ist, die Notwendigkeit eines Übergangsabschnitts 614 bestimmt, indem die Qualität der Oberflächenbearbeitung an der Übergangsstelle zwischen dem Nadeldichtabschnitt 612 und dem Öffnungsabschnitt 608 beurteilt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne den in den beigefügten Patentansprüche definierten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den vollen Umfang haben, der durch die Formulierungen der folgenden Patentansprüche definiert wird.

Claims

Kraftstoffeinspritzventilsitz (64), welcher umfasst: eine stromaufwärts befindliche Seite (602); eine stromabwärts befindliche Seite (604), die in einem Abstand von der stromaufwärts befindlichen Seite (602) angeordnet ist; einen Durchlass (70), der sich entlang einer Achse zwischen der stromaufwärts befindlichen Seite (602) und der der stromabwärts befindlichen Seite (604) erstreckt, wobei der Durchlass (70) eine Öffnungsabschnitt (608) aufweist, der sich in der Nähe der stromabwärts befindlichen Seite (604) befindet; und gekennzeichnet ist durch eine Übergangsstelle, die eine Kante zwischen dem Öffnungsabschnitt (608) und der stromabwärts befindlichen Seite definiert, wobei die Übergangsstelle eine Abschrägung (606) aufweist.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 1, wobei die Abschrägung (606) unter gleichen Winkeln bezüglich des Öffnungsabschnitts (608) und bezüglich der stromabwärts befindlichen Seite (604) ausgerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 2, wobei die Abschrägung (606) unter Winkeln von 45° bezüglich des Öffnungsabschnitts (608) und bezüglich der stromabwärts befindlichen Seite (604) ausgerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 1, wobei die Abschrägung (606) eine sich zwischen dem Öffnungsabschnitt (608) und der stromabwärts befindlichen Seite (604) erstreckende Querlänge aufweist, wobei die Querlänge kleiner als 0,05 Millimeter ist.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 4, wobei die Querlänge im Wesentlichen 0,02 Millimeter beträgt.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 1, wobei der Öffnungsabschnitt (608) eine erste Querschnittsfläche quer zur Achse aufweist.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 6, welcher ferner umfasst: einen Dichtabschnitt (612), der sich in der Nähe der stromaufwärts befindlichen Seite befindet und mit dem Öffnungsabschnitt (608) in Fließverbindung steht und eine zweite Querschnittsfläche quer zur Achse aufweist, welche sich in der Richtung stromabwärts mit einer ersten Geschwindigkeit von einer ersten Fläche auf eine zweite Fläche verringert; und einen Übergangsabschnitt (614), der sich zwischen dem Öffnungsabschnitt (608) und dem Dichtabschnitt (612) befindet und eine dritte Querschnittsfläche quer zur Achse (18) aufweist, welche sich in der Richtung stromabwärts mit einer zweiten Geschwindigkeit von der zweiten Fläche auf die erste Querschnittsfläche verringert.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 7, wobei der Übergangsabschnitt ein Volumen für ein Schleifwerkzeug zur Verfügung stellt, das auf dem Dichtabschnitt (612) eine ausgewählte Oberflächengüte herstellt.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 8, wobei das Volumen des Übergangsabschnitts das Durchlassvolumen stromabwärts von dem Dichtabschnitt (612) auf ein Minimum begrenzt.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 7, wobei der Dichtabschnitt (612) ein erstes Teilstück von der Form eines geraden Kreiskegelstumpfes umfasst, der Übergangsabschnitt ein zweites Teilstück von der Form eines geraden Kreiskegelstumpfes umfasst und die Übergangsstelle ein drittes Teilstück von der Form eines geraden Kreiskegelstumpfes umfasst.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 10, wobei die erste, zweite und dritte Querschnittsfläche orthogonal zur Achse (18) sind.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 7, wobei sich der Öffnungsabschnitt (608) entlang der Achse (18) über eine vorgegebene Länge erstreckt und ein Teilstück von der Form eines geraden Kreiszylinders umfasst, das einen vorgegebenen Durchmesser aufweist, und wobei das Verhältnis der vorgegebenen Länge zu dem vorgegebenen Durchmesser mindestens 0,3 beträgt.
Kraftstoffeinspritzventilsitz (64) nach Anspruch 1, wobei die scharfe Kante (604) im Wesentlichen verhindert, dass sich auf dem Öffnungsabschnitt ein fortgesetzter Aufbau von Brennkammerablagerungen auf der stromabwärts befindlichen Seite bildet.
Verfahren zum Formen eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes (64), wobei der Ventilsitz (64) eine stromaufwärts befindliche Seite (602), eine stromabwärts befindliche Seite (604) und einen sich entlang einer Achse (18) zwischen der stromaufwärts befindlichen Seite (602) und der stromabwärts befindlichen Seite (604) erstreckenden Durchlass (70) aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Formen eines Öffnungsabschnittes (608) innerhalb des Durchlasses (70) in der Nähe der stromabwärts befindlichen Seite (604); und gekennzeichnet ist durch den Schritt des Formens einer Kante an einer Übergangsstelle zwischen dem Öffnungsabschnitt und der stromabwärts befindlichen Seite, wobei diese Kante eine Abschrägung (606) aufweist.
Verfahren zum Formen eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes (64) nach Anspruch 14, wobei die Abschrägung (606) unter Winkeln von 45° bezüglich des Öffnungsabschnitts (608) und bezüglich der stromabwärts befindlichen Seite (604) ausgerichtet ist.
Verfahren zum Formen eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes (64) nach Anspruch 14, wobei die Abschrägung (606) eine sich zwischen dem Öffnungsabschnitt (608) und der stromabwärts befindlichen Seite (604) erstreckende Querlänge aufweist, wobei die Querlänge kleiner als 0,05 Millimeter ist.
Verfahren zum Formen eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes (64) nach Anspruch 16, wobei die Querlänge im Wesentlichen 0,02 Millimeter beträgt.
Verfahren zum Formen eines Kraftstoffeinspritzventilsitzes (64) nach Anspruch 14, welches ferner umfasst: Formen eines Dichtabschnittes (612) innerhalb des Durchlasses (70) in der Nähe der stromaufwärts befindlichen Seite (602); und Formen eines zwischen dem Öffnungsabschnitt (608) und dem Dichtabschnitt (612) befindlichen Übergangsabschnittes (614) innerhalb des Durchlasses (70).