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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Ventilsitz für
eine Kraftstoffeinspritzdüse,
der in Bereichen auf dem Ventilsitz, in denen sich Ablagerungen bilden
können,
welche die Leistungsfähigkeit
der Einspritzdüse
beeinträchtigen,
ein ablagerungsfreies Material enthält.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Kraftstoffeinspritzdüsen werden
in Verbrennungsmotoren verwendet, um in jeden Brennraum eine genau
bemessene Kraftstoffmenge einzuspritzen. Die Spitzen der Einspritzdüsen ragen
in den Brennraum hinein und sind einer Atmosphäre mit hoher Temperatur ausgesetzt,
die Kraftstoff und Luft enthält.
Kraftstoff reagiert bei erhöhten
Temperaturen in Gegenwart von Luft mit dem Metall in der Einspritzdüse, bei
dem es sich normalerweise um nichtrostenden Stahl handelt und das
verwendet wird, um die Spitze der Einspritzdüse herzustellen. Das Produkt dieser
Reaktion ist ein harter Rückstand,
der an allen Flächen
anhaftet, die mit Kraftstoff benetzt werden und der Einwirkung von
erhöhten
Temperaturen und Luft ausgesetzt sind. Zu diesen Flächen gehören kritische
Flächen
wie etwa die gesamte Innenseite des Spritzloches bis hinauf zum
Dichtungsstreifen des Sitzes, einschließlich des Übergangskegels. Die Ablagerungen
auf diesen Flächen
drosseln den Kraftstoffdurchfluss und verändern das Muster und die Zerstäubung des
Kraftstoffstrahls der Einspritzdüse, was
höhere
Emissionen und eine verminderte Laufstabilität des Motors zur Folge hat.
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Obwohl Verbrennungssysteme so konstruiert
werden, dass die Temperaturen an der Spitze verringert werden und
ein über
die Spitze der Einspritzdüse
geleiteter Reinigungs-Luftstrom erzeugt wird, wodurch weniger günstige Bedingungen
für eine
Ablagerung geschaffen werden, bilden sich auf der Spitze der Einspritzdüse infolge
der Reaktion des Kraftstoffes mit dem nichtrostenden Stahl der Spitze nach
wie Ablagerungen.
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Es wäre nützlich, eine Einspritzdüsenoberfläche, die
Kraftstoff und Luft bei erhöhten
Temperaturen ausgesetzt ist, zu entwickeln, welche aus einem Material
hergestellt ist, das die Bildung von Ablagerungen auf der Oberfläche verzögert oder
verhindert.
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In JP 10274134A (ZEXEL Corporation)
wird ein Kraftstoff-Einspritzventil
bereitgestellt, in welchem ein Einsatz mit einem Fluor-Überzug versehen ist,
um die Ansammlung und Ablagerung von Rückständen zu verringern.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Kurz gesagt, offenbart die vorliegende
Erfindung eine Kraftstoffeinspritzdüse, welche einen Einlass, einen
Auslass und einen Durchflusskanal aufweist, der einen Weg für den Kraftstoffdurchfluss
vom Einlass zum Auslass zur Verfügung
stellt. Erstes wesentliches Element der Erfindung ist eine Einspritzdüsensitz-Baugruppe,
die die folgenden Komponenten umfasst: einen Einspritzdüsensitz,
der einen Längskanal
und eine durch ihn führende
Längskanalachse
aufweist, wobei der Einspritzdüsensitz
aus einem ersten Material hergestellt ist; einen Einsatz, der fest
in den Längskanal
eingesetzt ist, wobei der Einsatz einen Einsatz-Längskanal
und eine Einsatz-Längskanalachse,
welche entlang der Längskanalachse
verläuft,
aufweist, wobei der Einsatz aus einem zweiten Material hergestellt
ist, das von dem ersten Material verschieden ist; und welche dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Ventilsitz einen Dichtkegel umfasst, der einen Kegelwinkel
(α) von
ungefähr 104
Grad aufweist, und dadurch, dass sich von einem stromaufwärts befindlichen
Ende des Einsatzes aus ein Übergangskegel
erstreckt, wobei der Übergangskegel
einen Kegelwinkel (β)
aufweist, der kleiner als der Kegelwinkel des Dichtkegels (α) ist.
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Außerdem offenbart die vorliegende
Erfindung eine Kraftstoffeinspritzdüse, welche eine Nadel und eine
Einspritzdüsensitz-Baugruppe
umfasst. Die Nadel ist in dem Durchflusskanal zwischen einer ersten
Position, in der sie den Durchflusskanal verschließt, und
einer zweiten Position, in der sie den Kraftstoffdurchfluss ermöglicht,
positionierbar. Die Einspritzdüsensitz-Baugruppe
umfasst einen Einspritzdüsensitz,
der einen Längskanal
und eine durch ihn führende
Längskanalachse
aufweist, wobei der Einspritzdüsensitz
aus einem ersten Material hergestellt ist; und einen Einsatz, der
fest in den Längskanal
eingefügt
ist, wobei der Einsatz einen Einsatz-Längskanal und eine Einsatz-Längskanalachse, welche
entlang der Längskanalachse
verläuft, aufweist,
wobei der Einsatz aus einem zweiten Material hergestellt ist, das
von dem ersten Material verschieden ist; und ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilsitz einen Dichtkegel umfasst, der einen Kegelwinkel
(α) von
ungefähr
104 Grad aufweist, und dadurch, dass sich von einem stromaufwärts befindlichen
Ende des Einsatzes aus ein Übergangskegel erstreckt,
wobei der Übergangskegel
einen Kegelwinkel (β)
aufweist, der kleiner als der Kegelwinkel des Dichtkegels (α) ist.
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Ferner offenbart die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Einspritzdüsensitz-Baugruppe.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen, welche in
die vorliegende Patentbeschreibung mit einbezogen sind und einen
Bestandteil derselben darstellen, zeigen eine gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen
Beschreibung und der nachfolgend gegebenen ausführlichen Beschreibung dazu, die
Merkmale der Erfindung zu erläutern.
In den Zeichnungen ist:
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1 eine
Seitenprofilansicht im Querschnitt eines stromabwärts befindlichen
Endes einer Kraftstoffeinspritzdüse,
bei der eine Ventilsitz-Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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2 eine
Seitenprofilansicht im Querschnitt eines Ventilsitz-Rohlings gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Seitenprofilansicht im Querschnitt eines Ventilsitz-Einsatzes gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Draufsicht des Ventilsitz-Einsatzes entlang der Linie 4-4 von 3; und
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5 eine
Seitenprofilansicht im Querschnitt einer spanabhebend bearbeiteten
Ventilsitz-Baugruppe gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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In den Zeichnungen werden zur Bezeichnung
gleicher Elemente durchgehend gleiche Bezugszahlen verwendet. Wie
in 1 dargestellt, weist
eine Kraftstoffeinspritzdüse 110 einen
Einlass 12, einen Auslass 14 und einen Durchflusskanal 16, der
einen Weg für
den Kraftstoffdurchfluss vom Einlass 12 zum Auslass 14 zur
Verfügung
stellt, auf. Die Kraftstoffeinspritzdüse 110 umfasst eine
Nadel 18, die in dem Durchflusskanal 16 zwischen
einer ersten Position, in der sie den Durchflusskanal 16 verschließt, und
einer zweiten Position, in der sie den Kraftstoffdurchfluss an der
Nadel 18 vorbei und an einer Ventilsitz-Baugruppe 100 vorbei
zwecks Durchfluss durch den Durchflusskanal 16 ermöglicht,
positionierbar ist.
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In 2 ist
ein Ventilsitz-Rohling 10 für die Ventilsitz-Baugruppe 100 dargestellt.
In den 3 und 4 ist ein Einsatz 20 dargestellt,
der zum Einsetzen in den Ventilsitz-Rohling 10 bestimmt
ist. Der Einsatz 20 wird in den Ventilsitz-Rohling 10 eingesetzt, um
die Ventilsitz-Baugruppe 100 herzustellen, die in 5 dargestellt ist. Die Ventilsitz-Baugruppe 100 wird
in der Nähe
der Spitze (nicht dargestellt) in die Kraftstoffeinspritzdüse 110 eingesetzt.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen; der Ventilsitz-Rohling 10 umfasst
eine stromaufwärts befindliche
Seite 102 und eine stromabwärts befindliche Seite 104.
In dieser Patentbeschreibung ist "stromaufwärts" als Bezeichnung für eine Richtung zum oberen
Rand der jeweiligen Abbildung hin definiert, und "stromabwärts" ist als Bezeichnung
für die Richtung
zum oberen Rand der jeweiligen Abbildung hin definiert. Der Ventilsitz-Rohling 10 ist
vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl hergestellt, obwohl für Fachleute
klar ist, dass der Ventilsitz-Rohling 10 ebenso aus anderen
Werkstoffen gefertigt sein kann. Ein Längskanal 118 erstreckt
sich durch ihn hindurch, vorzugsweise entlang einer Sitz-Längsachse 112. Der
Längskanal 118 umfasst
eine Kanalwand 114 und einen Durchmesser 115.
Die Kanalwand 114 erstreckt sich von einer Stelle zwischen
der stromaufwärts
befindlichen Seite 102 und der stromabwärts befindlichen Seite 104 des
Ventilsitz-Rohlings 10 stromabwärts bis zu der stromabwärts befindlichen Seite 104 des
Ventilsitz-Rohlings 10. Vorzugsweise ist die Kanalwand 114 im
Großen
und Ganzen parallel zu der Sitz-Längsachse 112.
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Ein Dichtkegel 116 befindet
sich im Ventilsitz-Rohling 10 zwischen der stromaufwärts befindlichen
Seite 102 und der Kanalwand 114. Der Dichtkegel 116 ist
im Großen
und Ganzen um die Sitz-Längsachse 112 herum
zentriert und verjüngt
sich im Großen
und Ganzen stromabwärts
und nach innen zur Sitz-Längsachse 112 hin.
Der Dichtkegel 116 weist einen Kegelwinkel α von ungefähr 104 Grad
bezüglich
der Sitz-Längsachse 112 auf,
obwohl für
Fachleute klar ist, dass der Kegelwinkel α ebenso eine andere Größe haben
kann. Der Dichtkegel 116 passt mit einer eine hin- und
hergehende Bewegung ausführenden
Ventilnadel (nicht dargestellt) zusammen, welche in einer geschlossenen
Position im Dichtkegel 116 sitzt, um den Längskanal 118 abzudichten und
dadurch zu verhindern, dass unter Druck stehender Kraftstoff in
der Einspritzdüse
durch den Längskanal 118 fließt.
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Es wird nun auf die 3 und 4 Bezug
genommen; der Einsatz 20 umfasst ein stromaufwärts befindliches
Ende 202 und ein stromabwärts befindliches Ende 204.
Vorzugsweise weist das stromabwärts
befindliche Ende 204 aus Gründen, die noch erläutert werden,
eine abgeschrägte
Seitenfläche 205 auf.
Der Einsatz 20 umfasst außerdem eine Außenwand 206,
welche sich im Wesentlichen vom stromaufwärts befindlichen Ende 202 bis
zu der abgeschrägten
Seitenfläche 205 erstreckt
und einen Durchmesser 205 aufweist. Der Einsatz 20 weist
außerdem
eine sich durch ihn hindurch erstreckende Einsatz-Längsachse 212 auf.
Vorzugsweise ist der Einsatz 20 aus einem keramischen Werkstoff
gefertigt, welcher die Bildung von Ablagerungen auf ihm verzögert oder
dagegen beständig
ist.
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Um den in 5 dargestellten Ventilsitz 100 herzustellen,
wird das stromabwärts
befindliche Ende 204 des Einsatzes 20 durch das
stromaufwärts befindliche
Ende 102 des Ventilsitz-Rohlings 10 und den Dichtkegel 116 hindurch
in den Längskanal 118 eingeführt. Die
abgeschrägte
Seitenfläche
(aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt) des stromabwärts
befindlichen Endes 204 gelangt mit dem Dichtkegel 116 zum
Eingriff und führt
den Einsatz 20 in den Längskanal 118 hinein.
Die abgeschrägte
Seitenfläche
hilft, ein Schrägstellen
des Einsatzes 20 während
des Einführens
zu verhindern. Vorzugsweise wird der Einsatz 20 so in den
Längskanal 118 eingesetzt,
dass das stromaufwärts
befindliche Ende 202 des Einsatzes 20 mit der Grenzfläche zwischen
dem stromabwärts
befindlichen Ende des Dichtkegels 116 und dem stromaufwärts befindlichen Ende
des Längskanals 118 bündig ist.
Vorzugsweise ist der Einsatz 20 ausreichend lang, so dass
sich die gesamte abgeschrägte
Seitenfläche über das
stromabwärts
befindliche Ende 104 des Ventilsitz-Rohlings 10 hinaus
erstreckt. Vorzugsweise ist der Durchmesser 208 des Einsatzes 20 größer als
der Durchmesser 115 des Längskanals 118, so
dass eine Presspassung zwischen der Außenwand 206 des Einsatzes 20 und
der Kanalwand 114 des Ventilsitz-Rohlings 10 hergestellt
wird. Für
Fachleute ist klar, dass, damit der Einsatz 20 in den Längskanal 118 eingepasst
werden kann, der Ventilsitz-Rohling 10 vorzugsweise erwärmt wird,
so dass sich der Ventilsitz-Rohling 10 zeitweilig ausdehnt
und der Längskanal 118 sich
ausreichend erweitert, so dass es möglich ist, den Einsatz 20 in
ihn einzuführen.
Der Ventilsitz-Rohling 10 wird
anschließend
gekühlt,
so dass sich der Längskanal 118 verengt
und den Einsatz 20 sicher in sich festhält. Für Fachleute ist klar, dass
andere Verfahren der Befestigung des Einsatzes 20 am Ventilsitz-Rohling 10 anwendbar
sind, wie etwa kegelförmige
Gestaltung des Längskanals 118,
Anschweißen
des Einsatzes 20 an den Ventilsitz-Rohling 10,
Stauchen von Material vom Ventilsitz-Rohling 10 über dem
Einsatz 20 oder Wärmebehandlung
des Ventilsitz-Rohlings 10 und des Einsatzes 20,
so dass eine Molekülbindung
zwischen dem Ventilsitz-Rohling 10 und dem Einsatz 20 hergestellt
wird.
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Nachdem der Einsatz 20 in
den Längskanal 118 eingesetzt
worden ist, wird der Einsatz 20 spanabhebend bearbeitet.
Entlang der Einsatz-Längsachse 212,
welche vorzugsweise mit der Sitz-Längsachse 112 koaxial
ist, wird durch spanabhebende Bearbeitung ein Einsatz-Längskanal 210 hergestellt,
der in 5 dargestellt
ist. Das stromabwärts
befindliche Ende 204 des Einsatzes 20, welches über das stromabwärts befindliche
Ende 104 des Ventilsitz-Rohlings 10 hinausragt,
wird spanabhebend bearbeitet, so dass es mit dem stromabwärts befindlichen
Ende 104 des Ventilsitz-Rohlings 10 bündig ist, wobei
am stromabwärts
befindlichen Ende 204 eine scharfe Kante am Einsatz-Längskanal 210 gebildet wird.
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Das stromaufwärts befindliche Ende 202 des Einsatzes 20 wird
spanabhebend bearbeitet, so dass ein Übergangskegel 214 gebildet
wird. Der Übergangskegel 214 erstreckt
sich vom stromaufwärts befindlichen
Ende 202 bis zum Einsatz-Längskanal 210 unter
einem Winkel β relativ
zur Einsatz-Längsachse 212.
Vorzugsweise beträgt
der Winkel β ungefähr 85 Grad,
obwohl für
Fachleute klar ist, dass der Winkel β auch größer oder kleiner als 85 Grad
sein kann. Der Übergangskegel 214 ist
vorzugsweise derselbe Übergangskegel
wie der, welcher im US-Patent US-A-6.311.901 offenbart wurde.
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Für
Fachleute ist klar, dass die Schritte der Herstellung der Ventilsitz-Baugruppe 100 auch
in einer anderen Reihenfolge als der oben angegebenen ausgeführt werden
können,
solange sie dasselbe Endprodukt liefern.
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Der Einsatz sich befindet sich in
der Ventilsitz-Baugruppe 100 im Längskanal 118, wo eine
Neigung zur Bildung von Ablagerungen im Ergebnis der Verbrennung
besteht. Das Material, aus welchem der Einsatz 20 vorzugsweise
hergestellt ist, verzögert oder
verhindert die Bildung von Ablagerungen im Längskanal 118, wodurch
es ermöglicht,
dass der Längskanal 118 seine
gewünschte
Größe beibehält, und
ermöglicht,
dass eine gewünschte
Kraftstoffmenge durch den Längskanal 118 fließt.
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Für
Fachleute ist leicht ersichtlich, dass an der oben beschriebenen
Ausführungsform Änderungen
vorgenommen werden könnten,
ohne den Rahmen der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.