EP0219591B1 - Verfahren zum Herstellen eines Einspritzdüsenkörpers - Google Patents

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EP0219591B1
EP0219591B1 EP85890262A EP85890262A EP0219591B1 EP 0219591 B1 EP0219591 B1 EP 0219591B1 EP 85890262 A EP85890262 A EP 85890262A EP 85890262 A EP85890262 A EP 85890262A EP 0219591 B1 EP0219591 B1 EP 0219591B1
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EP
European Patent Office
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needle
arbor
seating face
process according
nozzle
Prior art date
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Application number
EP85890262A
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English (en)
French (fr)
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EP0219591A1 (de
Inventor
Maximilian Dipl.-Ing. Kronberger
Edwin Dipl.-Ing. Till
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Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Metal Forming GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority to AT85890262T priority patent/ATE39546T1/de
Priority to DE8585890262T priority patent/DE3567062D1/de
Priority to US06/921,195 priority patent/US4819871A/en
Priority to JP61250620A priority patent/JPS62101881A/ja
Publication of EP0219591A1 publication Critical patent/EP0219591A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0219591B1 publication Critical patent/EP0219591B1/de
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/168—Assembling; Disassembling; Manufacturing; Adjusting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M61/166—Selection of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49428—Gas and water specific plumbing component making
    • Y10T29/49432—Nozzle making

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an injection nozzle body for injection nozzles for internal combustion engines, in particular for high-speed diesel engines, with spray holes emanating from the seat surface of a nozzle needle.
  • Injection nozzles the duration of which is controlled as a function of nozzle needles moved in the axial direction, are part of the prior art.
  • the stress on the material of the nozzle needle body in the region of the nozzle needle seat, which can subsequently lead to the nozzle needle body breaking, is composed of a series of individual stresses, which are listed below, for example.
  • a pulsating hydrostatic pressure with an average supply pressure of approximately 200 bar in particular causes high circumferential tensions, whereby this pulsating hydrostatic pressure naturally also results in high dynamic pressure peaks.
  • the nozzle needle has to hit the nozzle needle seat at a relatively high speed, as a result of which longitudinal stresses are introduced into the nozzle needle body. These longitudinal stresses overlap with the high circumferential stresses caused by the hydrostatic pressure.
  • the spray holes themselves have a pronounced notch effect, so that in the event of a break, the root of the break usually originates from the spray holes themselves.
  • a cavitation can often be observed on the inlet side of the spray holes due to the fuel, which leads to intercrystalline notches and thereby further reinforces the notch effect per se by the arrangement of the spray holes.
  • the outside of injection nozzle bodies for internal combustion engines is subjected to temperatures in the order of magnitude of 350 ° C., a relatively clear temperature gradient developing over the wall thickness of the nozzle needle body, which decreases steeply towards the inside.
  • hot gas corrosion occurs inside the nozzle body through the penetration of combustion gases through the spray holes. Overall, the interaction of a pulsating three-axis tensile stress condition with notch and corrosion effects is particularly disadvantageous.
  • DE-A-1 583 992 has already disclosed a method for strengthening thick-walled pipes, in which, among other things, a ball is driven through a tube, which has a larger outer diameter than the nominal inner diameter of the tube. Furthermore, it is already known to convert the pressure and stress zones within a pipe into a defined basic state by means of appropriate combined temperature and pressure treatment over the pipe thickness, in which a tensile stress is observed outside and a compressive stress is observed inside.
  • the valve In order to prevent hot gas corrosion in the interior of the nozzle body, the valve must close before the pressure in the combustion chamber, that is to say outside the nozzle body, is greater than the pressure in the interior of the nozzle body. On the one hand, the valve must start to close as early as possible and on the other hand, it must close as quickly as possible.
  • the closing begins as soon as the hydraulic force on the valve needle has dropped below the force of the closing spring. Since the contact area for the hydraulic pressure when the needle is open is larger than when the needle is closed - the ratio of these areas is expressed by the closing ratio - the closing pressure is always less than the opening pressure. In order to start closing as early as possible, the seat diameter must be as small as possible, but the surface pressure on the valve seat increases.
  • the invention now aims to provide a method for the production of injection hole bodies drilled in the seat hole, in which the strength is increased to such an extent that the valve needle can still be closed suddenly even at high injection pressure and has a favorable seating relationship.
  • the method according to the invention is essentially characterized in that residual compressive stresses of between 50 and 300 N / mrn2 are applied to the seat surface of the nozzle needle, which go to 0 at a depth of 30 to 70% of the wall thickness of the injection nozzle body, starting from the seat surface .
  • the method according to the invention is preferably carried out in such a way that the nozzle body in the region of the nozzle needle seat surface is deformed over the distance limit by means of a mandrel acting on the sealing surface of the nozzle body, the plastic deformation only over extends part of the wall thickness of the nozzle body in the region of the nozzle needle seat. Due to the fact that the nozzle body is deformed beyond the yield point in the area of the nozzle needle seat surface, residual residual stresses, namely compressive stresses, remain on the inside of the nozzle body in the area of the seat surface, since the plastically deformed regions are put under pressure by the elastically deformed zones located further out.
  • these residual residual stresses mean that stress peaks can be safely absorbed, while the residual stresses in the area of the spray holes significantly reduce the notch effects.
  • This local consolidation also makes it possible to reduce the needle diameter because the surface pressure can be increased by the valve needle. This leads to a more favorable seating ratio and, within certain limits, to a lower mass of the nozzle needle, which in turn enables faster closing.
  • forces between 3000 N and 7000 N preferably, can be used with nozzles of the size used for high-speed diesel engines 5000 N, are applied so that they increase from 0 to the nominal value in 0.5 to 3 seconds, preferably 1 second.
  • the nozzle body usually consists of high-temperature, tough, high-temperature corrosion-resistant special steel with high strength and can be case-hardened or nitrided before treatment.
  • the deformation which is to be restricted essentially to the region of the nozzle needle seat, can be carried out in a simple manner by means of a dome with a shape that is matched to the seat surface.
  • the configuration with a spherical or stepped conical shape is particularly preferred, in which the extent of the plastic deformation can also be geometrically concentrated on preferred areas of the seat surface. In this way, the zones of greatest prestress can be shifted into the area of the mouth of the spray holes, for which purpose the method is preferably carried out in such a way that a spherical shape of the dome is formed such that the dome touches the seat surface prior to the deformation along a circle takes place, which is adjacent to the spray holes.
  • the greatest residual compressive stress can be shifted into the area of the spray holes (itself), the crowning of the work surfaces of the dome being greatest at the point that, when the tool is in contact, touches the seat along a circle in which the upper edges meet of the spray holes.
  • the greatest pressure preload occurs at the point of the highest circumferential stress peak and somewhat above - at the point at which the needle stroke, which is strengthened by the desired favorable seating ratio, has the greatest effect.
  • the spherical contour can be approximated by a polygon, in which case a stepped conical formation of the mandrel arises.
  • a stepped conical design offers a significant simplification and cheaper manufacture of the mandrel, whereby due to the small angle differences between individual truncated cone shells there is no adverse influence on the stress pattern.
  • the deformation itself can be carried out in a particularly simple manner by means of the nozzle needle.
  • This nozzle needle can have a conical, offset conical or spherical seat surface, no special tool being required and the precise guidance of the needle in the upper part of the nozzle body being ensured.
  • the sealing surfaces that is the part of the seat above the spray hole mouth, are embossed so that they seal particularly well later in operation. The sealing gap can therefore be shorter, which again benefits the seating position.
  • the method according to the invention can be carried out in a simple manner in such a way that the compressive residual stresses are introduced through a mandrel with an outside diameter adapted to the inside width of the nozzle body and a conical, offset conical or crowned pressing surface at the end to be inserted into the nozzle body supported by an abutment, wherein an axial drive, in particular a hydraulic cylinder-piston unit or a spindle drive is specified for the free end of the mandrel.
  • the guide seat of a nozzle needle in the upper part of the nozzle body means that separate guidance of the tool can be dispensed with, the nozzle needle itself naturally being particularly suitable as a tool in a particularly simple manner.
  • FIG. 1 shows an axial section through a nozzle body with an inserted nozzle needle according to the prior art
  • 2 and 3 special needle or tool shapes in the area of the needle seat
  • 4 shows a schematic illustration of a device for carrying out the method according to the invention, partly in section
  • 5 shows a graphical representation of the stress state in the area of the seat after the action of a deformation force with a conical tool
  • FIG. 6 shows a graphical representation of the stress state in the region of the Seat after a deformation force with a crowned tool.
  • nozzle body 1 shows a nozzle body 1, in which a nozzle needle 2 is displaceably guided in the axial direction.
  • the nozzle needle 2 has a frustoconical end region 3, which cooperates with a seat 4 in the interior of the nozzle body 1. Starting from this seat 4, spray holes 5 are shown.
  • the spray holes 5 are opened and closed by axial movement of the nozzle needle 2. 1, they are located on a relatively small diameter.
  • the seat 4 ends in a blind hole 6.
  • FIG. 2 shows the spherical shape of a tool or a nozzle needle 2, in which the design is such that when the force is applied it first touches the seat surface of the nozzle body along a circle 7, which is in the region 8 of the upper edges of the spray hole openings runs.
  • a tool or a nozzle needle shaped in this way is acted upon in the direction of arrow 9, pressing forces are exerted in the area of the needle seat 4, the action being to take place such that the forces in the direction of arrow 9 for plastic deformation at least in area 8 of the needle seat 4 are sufficient.
  • the plastic deformation should not extend over the entire cross-sectional area or wall thickness of the nozzle needle body 1 in the region of the seat surface.
  • a stepped conical shape can also be selected, as suggested in FIG. 3.
  • the design here is such that the nozzle needle 2 initially has a conical lateral surface with a first angle a for the conicity in the area of the needle seat. Subsequently, in the axial direction, starting from the tip, a second offset jacket surface is arranged at an angle ⁇ and subsequently a third offset jacket surface at an angle y.
  • the design here is such that the angle a is chosen to be smaller than the angle ⁇ and the angle ⁇ to be smaller than the angle y, as a result of which an approximation of the crowning can be achieved by means of a polygonal train.
  • FIG. 1 A simple device for carrying out the method according to the invention is illustrated in FIG.
  • the nozzle body 1 is supported against an abutment 10 and a hydraulic press 11 is provided, by means of which a force in the direction of the arrow 9 can be exerted on a tool or a nozzle needle 2.
  • the tool 2 is guided in the clear width of the nozzle body, which can be assumed in particular if the tool is formed by the nozzle needle 2 itself.
  • the forces introduced are effective in the area of the seat surface 4, the forces having a particular effect on the lower edge or the upper edge of the taper when the tool or the nozzle needle is conical. In the case of a more or less crowned configuration, the point of attack can be shifted to certain cross-sectional planes in the vertical direction in order to achieve the desired effect.
  • the schematic representation in FIG. 5 shows how the introduction of pressure into a tool 2 takes effect, or which residual residual stresses remain after the pressure has been reduced.
  • the seat 4 is shown enlarged in FIG. 5.
  • the individual lines define areas with the same residual residual stresses in the circumferential direction.
  • the stresses are defined in descending order from 3 to 8 as compressive stresses, with 9 a neutral zone is defined, whereas the areas 10 already characterize tensile stresses.
  • a qualitative picture of this type results after the application of a force in the direction of arrow 9 as residual stress after the relief.
  • Stress patterns, as shown in FIG. 5, can be calculated in advance using the finite element method, whereby for the sake of order it is again stated that the simplified representation in FIG. 5 only illustrates the residual stresses in the circumferential direction after the action of a conical tool.
  • FIG. 6 shows a representation of the peripheral stresses analogous to FIG. 5 after the action of a tool with a spherical contour.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzdüsenkörpers für Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, insbesondere für schnellaufende Dieselmotoren, mit von der Sitzfiäche einer Düsennadel ausgehenden Spritzlöchern.
  • Einspritzdüsen, deren Spritzdauer in Abhängigkeit von in axialen Richtung bewegten Düsennadeln gesteuert wird, zählen zum Stand der Technik. Bei diesen bekannten Konstruktionen wird zwischen Ausbildungen, bei welchen die Spritzlöcher von einer Sackbohrung unterhalb des Ventilsitzes ausgehen, und einer Ausbildung, bei welcher die Spritzlöcher aus dem Bereich des Ventilsitzes selbst ausgehen, unterschieden. Es ist bekannt, dass bei Ausbildungen, bei welchen die Spritzlöcher von den Sackbohrungen ausgehen, ein Nachtropfen beobachtet wird. Der nachtropfende Brennstoff kann mangels ausreichender Zerstäubung nicht mehr verbrannt werden, wodurch sich die Treibstoffökonomie verringert und das Emissionsverhalten, insbesondere die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe, verschlechtert wird.
  • Um einem derartigen Nachtropfen entgegenzuwirken wurde bereits vorgeschlagen, die Spritzlöcher im Sitzbereich der Düsennadel anzuordnen. Die Anordnung von Spritzlöchern in der Sitzfläche selbst stellt aber eine Reihe von nur schwer lösbaren Festigkeitsproblemen und derartige in der Sitzfläche angeordnete Spritzlöcher haben in der Vergangenheit bei Versuchen immer zu einem grossen Bruchrisiko geführt. Aus diesem Grunde sind sitzlochgebohrte Düsen gegenwärtig bei schnellaufenden Dieselmotoren immer noch nicht serienmässig im Einsatz.
  • Die Beanspruchung des Werkstoffes des Düsennadelkörpers im Bereich des Düsennadelsitzes, welche in der Folge zum Bruch des Düsennadelkörpers führen kann, setzt sich aus einer Reihe von Einzelbeanspruchungen zusammen, welche nachfolgend beispielsweise aufgezählt werden. Ein pulsierender hydrostatischer Druck mit einem durchschnittlichen Zuführungsdruck von etwa 200 bar verursacht im besonderen hohe Umfangsspannungen, wobei dieser pulsierende hydrostatische Druck naturgemäss auch hohe dynamische Druckspitzen zur Folge hat. Um ein sicheres Abschliessen der Spritzlöcher nach der vorgegebenen Einspritzzeit zu gewährleisten, muss die Düsennadel mit relativ hoher Geschwindigkeit auf den Düsennadelsitz aufschlagen, wodurch Längsspannungen in den Düsennadelkörper eingebracht werden. Diese Längsspannungen überlagern sich mit den durch den hydrostatischen Druck bedingten hohen Umfangsspannungen. Die Spritzlöcher selbst zeigen eine ausgeprägte Kerbwirkung, so dass bei einem Bruch in der Regel die Wurzel des Bruches von den Spritzlöchern selbst ausgeht. Darüberhinaus ist an der Eintrittsseite der Spritzlöcher durch den Brennstoff häufig eine Kavitation zu beobachten, die zu interkristallinen Kerben führt und dadurch die an sich gegebene Kerbwirkung durch die Anordnung der Spritzlöcher weiter verstärkt. Im Einsatz ist die Aussenseite von Einspritzdüsenkörpern für Brennkraftmaschinen mit Temperaturen in der Grössenordnung von 350°C beaufschlagt, wobei sich über die Wandstärke des Düsennadelkörpers ein relativ deutlicher Temperaturgradient, welcher nach innen steil abnimmt, ausbildet. Zusätzlich kommt es zu Heissgaskorrosion im Inneren des Düsenkörpres durch das Eindringen von Verbrennungsgasen durch die Spritzlöcher. Insgesamt ist das Zusammenwirken eines pulsierenden dreiachsigen Zugsspannungszustandes mit Kerb- und Korrosionswirkungen besonders nachteilig.
  • Es sind eine Reihe von Druck- und Temperaturbehandlungen für Rohre bekanntgeworden, mit welchen die Festigkeitseigenschaften der Wände von Rohren verbessert werden. Im besonderen ist mit der DE-A-1 583 992 bereits ein Verfahren zur Verfestigung dickwandiger Rohre bekanntgeworden, bei welchem in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen u.A. eine Kugel durch ein Rohr hindurchgetrieben wird, welche einen grösseren Aussendurchmesser als den Nenninnendurchmesser des Rohres aufweist. Es ist weiters bereits bekannt, die Druck-und Spannungsbelastungszonen innerhalb eines Rohres durch entsprechende kombinierte Temperatur- und Druckbehandlung über die Rohrdicke in einen definierten Grundzustand, bei welchem aussen eine Zugspannung und innen eine Druckspannung beobachtet wird, überzuführen.
  • Um Heissgaskorrosion im Inneren des Düsenkörpers zu verhindern, muss das Ventil schliessen, bevor der Druck im Verbrennungsraum, also ausserhalb des Düsenkörpers, grösser als der Druck im Inneren des Düsenkörpers ist. Das Ventil muss also zum Einen möglichst frühzeitig zu schliessen beginnen und zum Anderen möglichst schnell schliessen.
  • Das Schliessen beginnt, sobald die hydraulische Kraft auf die Ventilnadel unter die Kraft der Schliessfeder abgesunken ist. Da die Angriffsfläche für den hydraulischen Druck bei geöffneter Nadel grösser als bei geschlossener Nadel ist - das Verhältnis dieser Flächen wird durch das Schliessverhältnis ausgedrückt -, ist der Schliessdruck immer kleiner als der Öffnungsdruck. Um möglichst frühen Schliessbeginn zu erzielen, muss der Sitzdurchmesser möglichst klein sein, wobei sich aber die Flächenpressung am Ventilsitz erhöht.
  • Schnelles Schliessen der Nadel erfordert eine harte Schliessfeder, wodurch der Nadelschlag auf den Ventilsitz stärker wird.
  • Frühzeitiges Schliessen und schnelles Schliessen war nach dem Stand der Technik aus Festigkeitsgründen nicht realisierbar.
  • Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung sitzlochgebohrter Einspritzdüsenkörper zu schaffen, bei welchen die Festigkeit so weit gesteigert ist, dass die Ventilnadel auch bei hohem Einspritzdruck noch schlagartig geschlossen werden kann und ein günstiges Sitzverhältnis aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass auf die Sitzfläche der Düsennadel Druckeigenspannungen zwischen 50 und 300 N/mrn2 eingebracht werden, welche in einer Tiefe von 30 bis 70% der Wandstärke des Einspritzdüsenkörpers ausgehend von der Sitzfläche gegen 0 gehen.
  • Zur Herstellung von Düsenkörpern, welche allen Beanspruchungen, also auch der Beanspruchung durch korrosive Gase, gewachsen sind, wird das erfindungsgemässe Verfahren vorzugsweise derart durchgeführt, dass der Düsenkörper im Bereich der Düsennadelsitzfläche mittels eines auf die Dichtfläche des Düsenkörpers wirkenden Dornes über die Streckengrenze verformt wird, wobei die plastische Verformung sich nur über einen Teil der Wandstärke des Düsenkörpers im Bereich der Düsennadelsitzfläche erstreckt. Dadurch dass der Düsenkörper im Bereich der Düsennadelsitzfläche über die Streckgrenze verformt wird, verbleiben nach der Entlastung an der Innenseite des Düsenkörpers im Bereich der Sitzfläche Resteigenspannungen und zwar Druckspannungen, da die plastisch verformten Bereiche durch die weiter aussen liegenden elastisch verformten Zonen unter Druck gesetzt werden. Diese Resteigenspannungen führen in der Folge dazu, dass Spannungsspitzen sicher aufgenommen werden können, wobei sich gleichzeitig durch die Druckeigenspannungen im Bereich der Spritzlöcher die Kerbwirkungen stark vermindern. Durch diese örtliche Verfestigung ist es auch möglich, den Nadeldurchmesser zu verringern, weil die Flächenpressung durch die Ventilnadel erhöht werden kann. Das führt zu einem günstigeren Sitzverhältnis und in gewissen Grenzen zu einer geringeren Masse der Düsennadel, wodurch wieder ein schnelleres Schliessen ermöglicht wird. Um eine derartige plastische Verformung, welche sich nur über einen Teil der Wandstärke des Düsenkörpers im Bereich des Düsennadelsitzes erstrecken soll, sicherzustellen, können bei Düsen in der Grösse, wie sie für schnellaufende Dieselmotoren verwendet werden, bevorzugt Kräfte zwischen 3000 N und 7000 N, vorzugsweise 5000 N, so aufgebracht werden, dass sie in 0,5 bis 3 sec., vorzugsweise 1 sec, von 0 auf den Nominalwert ansteigen. Der Düsenkörper besteht üblicherweise aus hochwarmfestem, zähem, hochtemperaturkorrosionsbeständigem Spezialstahl mit hoher Festigkeit und kann vor der Behandlung einsatzgehärtet oder nitriert werden.
  • Die Verformung, welche sich im wesentlichen auf den Bereich des Düsennadelsitzes beschränken soll, kann in einfacher Weise mittels eines Domes mit auf die Sitzfläche abgestimmter Form vorgenommen werden. Neben einer konischen Form ist als besonders bevorzugt die Ausbildung mit balliger oder abgesetzt konischer Form zu bezeichnen, bei welcher das Ausmass der plastischen Verformung auch geometrisch auf bevorzugte Bereiche der Sitzfläche konzentriert werden kann. Auf diese Weise können die Zonen grösster Druckvorspannung in den Bereich der Mündung der Spritzlöcher verschoben werden, wofür vorzugsweise das Verfahren so durchgeführt wird, dass eine ballige Form des Domes so ausgebildet wird, dass die Berührung des Domes mit der Sitzfläche vor der Verformung längs eines Kreises erfolgt, welcher den Spritzlöchern benachbart ist. Mit einer derartigen Verfahrensführung lässt sich die grösste Druckeigenspannung in den Bereich der Spritzlöcher (selbst) verlagern, wobei die Balligkeit der Arbeitsflächen des Domes an der Stelle am grössten ist, die bei anliegendem Werkzeug die Sitzfläche längs eines Kreises berührt, in dem sich die oberen Kanten der Spritzlöcher befinden. Auf diese Weise wird erreicht, dass die grösste Druckvorspannung an der Stelle der höchsten Umfangsspannungsspitze und etwas darüber - an der Stelle, an der der Nadelschlag, verstärkt durch das erwünschte günstige Sitzverhältnis, am stärksten wirkt - auftritt. Durch die Wahl der Balligkeit lässt sich die optimale Lage der maximalen Druckvorspannung genau einstellen.
  • Die ballige Kontur kann durch einen Polygonzug angenähert werden, wobei in diesem Falle eine abgesetzt konische Ausbildung des Dornes entsteht. Eine derartig abgesetzt konische Ausbildung bietet eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung der Fertigung des Dornes, wobei wegen der geringen Winkelunterschiede zwischen einzelnen Kegelstumpfmänteln keine ungünstige Beeinflussung des Spannungsbildes entsteht.
  • In besonders einfacher Weise kann im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens die Verformung mittels der Düsennadel selbst vorgenommen werden. Diese Düsennadel kann eine konische, abgesetzt konische oder ballige Sitzfläche aufweisen, wobei kein gesondertes Werkzeug erforderlich ist und die genaue Führung der Nadel im Oberteil des Düsenkörpers sichergestellt ist. Es erübrigt sich eine gesonderte Werkzeugführung und es kann eine einfache hydraulische Presse verwendet werden. Der genaue Sitz der Ventilnadel kann bei einer derartigen Verfahrensführung auch bei geringerer Fertigungsgenauigkeit der Nadel selbst erreicht werden. Durch den innigen Kontakt zwischen Nadel und Sitzfläche werden die Dichtflächen, das ist der Teil der Sitzfläche über der Spritzlochmündung, aneinander geprägt, so dass sie später im Betrieb besonders gut abdichten. Der Dichtspalt kann dadurch kürzer sein, was wieder dem Sitzverhältnis zugute kommt.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren kann hiebei in einfacher Weise derart durchgeführt werden, dass die Druckeigenspannungen durch einen Dorn mit einem der lichten Weite des Düsenkörpers angepassten Aussendurchmesser und einer konischen, abgesetzt konischen oder balligen Pressfläche am in den von einem Widerlager abgestützten Düsenkörper einzuführenden Ende eingebracht werden, wobei ein axialer Antrieb, insbesondere ein hydraulisches Zylinderkolbenaggregat oder ein Spindeltrieb für das freie Ende des Dornes vorgegeben ist. Durch den Führungssitz einer Düsennadel im oberen Teil des Düsenkörpers kann eine gesonderte Führung des Werkzeuges entfallen, wobei sich naturgemäss in besonders einfacher Weise die Düsennadel selbst als Werkzeug eignet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Achsschnitt durch einen Düsenkörper mit eingesetzter Düsennadel nach dem Stand der Technik; Fig. 2 und 3 spezielle Nadel- bzw. Werkzeugformen im Bereich des Nadelsitzes; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens teilweise im Schnitt; Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung des Spannungszustandes im Bereich der Sitzfläche nach Einwirkung einer Verformungskraft mit einem konischen Werkzeug und Fig. 6 eine schaubildliche Darstellung des Spannungszustandes im Bereich der Sitzfläche nach Einwirkung einer Verformungskraft mit einem balligen Werkzeug.
  • In Fig. 1 ist ein Düsenkörper 1 dargestellt, in welchem eine Düsennadel 2 in axialer Richtung verschieblich geführt ist. Die Düsennadel 2 weist einen kegelstumpfförmigen Endbereich 3 auf, welcher mit einer Sitzfläche 4 im Inneren des Düsenkörpers 1 zusammenwirkt. Ausgehend von dieser Sitzfläche 4 sind Spritzlöcher 5 dargestellt. Die Spritzlöcher 5 werden durch axiale Bewegung der Düsennadel 2 geöffnet und geschlossen. Bei der Darstellung nach Fig. 1 befinden sie sich auf relativ kleinem Durchmesser. Die Sitzfläche 4 endet in einem Sackloch 6.
  • In Fig. 2 ist die ballige Form eines Werkzeuges bzw. einer Düsennadel 2 dargestellt, bei weicher die Ausbildung so getroffen ist, dass sie beim Aufbringen der Kraft die Sitzfläche des Düsenkörpers zuerst längs eines Kreises 7 berührt, der im Bereich 8 der Oberkanten der Spritzlochmündungen verläuft. Beim Beaufschlagen eines derartigen Werkzeuges bzw. einer derart geformten Düsennadel in Richtung des Pfeiles 9 werden Presskräfte im Bereich des Nadelsitzes 4 ausgeübt, wobei die Beaufschlagung so erfolgen soll, dass die Kräfte in Richtung des Pfeiles 9 für eine plastische Verformung zumindest im Bereich 8 des Nadelsitzes 4 ausreichen. Die plastische Verformung soll sich nicht über die gesamte Querschnittsfläche bzw. Wandstärke des Düsennadelkörpers 1 im Bereich der Sitzfläche erstrecken. Statt der Nadelform bzw. Werkzeugform entsprechend Fig. 2 kann auch, wie in Fig. 3 vorgeschlagen, eine abgesetzt konische Form gewählt werden. Die Ausbildung ist hier so getroffen, dass die Düsennadel 2 im Bereich des Nadelsitzes zunächst eine konische Mantelfläche mit einem ersten Winkel a für die Konizität aufweist. In axialer Richtung anschliessend ausgehend von der Spitze wird eine zweite abgesetzte Mantelfläche unter einem Winkel ß und in der Folge eine dritte abgesetzte Mantelfiäche unter einem Winkel y angeordnet. Die Ausbildung ist hier so getroffen, dass der Winkel a kleiner als der Winkel ß und der Winkel ß kleiner als der Winkel y gewählt wird, wodurch sich eine Annäherung der Balligkeit durch einen polygonalen Zug verwirklichen lässt.
  • In Fig. 4isteine einfache Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens veranschaulicht. Der Düsenkörper 1 ist gegen ein Widerlager 10 abgestützt und es ist eine hydraulische Presse 11 vorgesehen, mittels welcher auf ein Werkzeug bzw. eine Düsennadel 2 eine Kraft in Richtung des Pfeiles 9 ausgeübt werden kann. Das Werkzeug 2 ist in der lichten Weite des Düsenkörpers geführt, was insbesondere dann anzunehmen ist, wenn das Werkzeug von der Düsennadel 2 selbst gebildet ist. Die eingebrachten Kräfte werden im Bereich der Sitzfläche 4 wirksam wobei sich die Kräfte bei exakt konischer Ausbildung des Werkzeuges bzw. der Düsennadel an der Unterkante bzw. der Oberkante der Konizität besonders auswirken. Im Falle einer mehr oder minder balligen Ausgestaltung lässt sich der Angriffspunkt auf bestimmte Querschnittsebenen in Höhenrichtung verlagern, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
  • An Hand der schematischen Darstellung in Fig. 5 ist ersichtlich, wie die Druckeinleitung in ein Werkzeug 2 zur Wirkung gelangt, bzw. welche Resteigenspannungen nach dem Druckabbau verbleiben. Zu diesem Zweck ist in Fig. 5 die Sitzfläche 4 vergrössert dargestellt. Die einzelnen Linienzüge definieren Bereiche mit gleichen Resteigenspannungen in Umfangsrichtung. Die Spannungen werden hiebei von 3 bis 8 absteigend als Druckspannungen definiert, mit 9 ist eine neutrale Zone definiert, wohingegen die Bereiche 10 bereits Zugspannungen charakterisieren. Ein qualitatives Bild dieser Art ergibt sich nach Anwendung einer Kraft in Richtung des Pfeiles 9 als Restspannung nach der Entlastung. Spannungsbilder, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, lassen sich nach der Methode der finiten Elemente vorausberechnen, wobei der Ordnung halber nochmals festgehalten wird, dass die vereinfachte Darstellung in Fig. 5 lediglich die Restspannungen in Umfangsrichtung nach Einwirken eines konischen Werkzeuges veranschaulicht.
  • In Fig. 6 ist eine der Fig. 5 analoge Darstellung der Umfangsspannungen nach Einwirken eines Werkzeuges mit balliger Kontur ersichtlich.
  • Der Einfachheit halber war nur von Umfangsspannungen die Rede. Naturgemäss lassen sich auch Spannungen in anderen Raumrichtungen bzw. Vergleichsspannungen mit denselben Methoden errechnen und in ähnlicher Weise grafisch darstellen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Einspritzdüsenkörpers (1) für Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, insbesondere für schnellaufende Dieselmotoren, mit von der Sitzfläche (4) einer Düsennadel (2) ausgehenden Spritzlöchern (5), dadurch gekennzeichnet, dass auf die Sitzfläche (4) der Düsennadel (2) Druckeigenspannungen zwischen 50 und 300 M/mml eingebracht werden, welche in einer Tiefe von 30 bis 70% der Wandstärke des Einspritzdüsenkörpers (1) ausgehend von der Sitzfläche (4) gegen 0 gehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) im Bereich der Düsennadelsitzfläche (4) mittels eines auf die Dichtfläche des Düsenkörpers (1) wirkenden Domes über die Streckgrenze verformt wird, wobei die plastische Verformung sich nur über einen Teil der Wandstärke des Düsenkörpers (1) im Bereich der Düsennadelsitzfläche (4) erstreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung mittels eines Domes mit balliger Form vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine ballige Form des Domes so ausgebildet wird, dass die Berührung des Domes mit der Sitzfläche (4) vor der Verformung längs eines Kreises (7) erfolgt, welcher den Spritzlöchern (5) benachbart ist, insbesondere diese berührt oder schneidet.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung mittels der Düsennadel (2) selbst vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Dorn oder die Nadel (2) Kräfte zwischen 3000 N und 7000 N, vorzugsweise etwa 5000 N, aufgebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Krafteinleitung so gewählt wird, dass die volle Kraft zwischen 0,5 und 3s, vorzugsweise etwa 1s nach Beginn der Krafteinleitung auf die Sitzfläche (4) ausgeübt wird.
8. Verfahren nach einem einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannungen durch einen Dorn mit einem der lichten Weite des Düsenkörpers (1) angepassten Aussendurchmesser und einer konischen, abgesetzt konischen oder balligen Pressfläche am in den von einem Widerlager abgestützten Düsenkörper (1) einzuführenden Ende eingebracht werden, wobei die axiale Kraft durch einen Antrieb (11), insbesondere durch ein hydraulisches Zylinderkolbenaggregat oder einen Spindeltrieb auf das freie Ende des Domes aufgebracht wird.
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