EP0233190B1

EP0233190B1 - Kraftstoff-einspritzdüse für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP0233190B1
Application number: EP86902328A
Authority: EP
Inventors: Werner Banzhaf; Ewald Eblen; Heinrich Faber; Rolf Jürgen GIERSCH; Karl Hofmann; Dieter Liedtke; Helmut Norberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-08-10
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1989-12-20
Also published as: US4801095A; DE3536452A1; DE3667704D1; EP0233190A1; WO1987000889A1; JPS63500669A; JP2545520B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei diesen Einspritzdüsen ist die Stirnkuppe des Düsenkörpers gehärtet, damit die innenliegende Ventilsitzfläche der Schlagbeanspruchung durch die Ventilnadel standhält und der außenliegende Wandbereich gegen abrasiven Verschleiß durch die Gasströmung in der Brennkammer geschützt ist. Nachteilig ist jedoch, daß dadurch und durch das Vorhandensein der Spritzlöcher im Bereich der Ventilsitzfläche oder im Bereich eines an die Ventilsitzfläche anschließenden Sacklochs die Bruchfestigkeit der Stirnkuppe des Düsenkörpers verringert wird. Diesem Nachteil kann durch eine entsprechende Bemessung der Wandstärke der Stirnkuppe nur teilweise begegnet werden, weil dadurch auch die Länge der Spritzlöcher und dadurch die Spritzstrahlausbildung entscheidend beeinflußt wird. Der Querschnitt und die Länge der Spritzlöcher sind durch Einspritzkenngrößen, wie Einspritzmenge, Kraftstoffzerstäubung und dergleichen in engen Grenzen festgelegt.
Zur Behebung des geschilderten Nachteils ist es Einspritzdüsen der gattungsmäßigen Art gemäß der JP-A-5 888 459 auch schon bekannt, den Ventilsitz an einem in den Düsenkörper nachträglich eingebauten Hartmetallkörper auszubilden. Diese Ausführung ist aufwendig, weil der Düsenkörperzunächst aufgeschnitten und nach dem Einbringen des Hartmetalls wieder zusammengeschweißt wird. Danach muß in das Hartmetall durch mehrere Arbeitsgänge erst die Form des konischen Ventilsitzes eingearbeitet werden. Diese Arbeitsgänge verteuern die Herstellung der Einspritzdüse wesentlich und sind für eine Massenfertigung nicht geeignet.

Vorteile der Erfindung

Die erfidnungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ist einfacher herzustellen und hat den weiteren Vorteil, daß sich die Festigkeit der Stirnkuppe ohne jede Beeinträchtigung ihrer übrigen Eigenschaften besonders wirksam erhöhen läßt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.
Durch Versuche hat sich eine Ausführung als besonders zweckmässig herausgestellt, bei weicher die Härte eines Außenwandbereichs der Stirnkuppe um mindestens 100 HV1, vorzugsweise um 150 HV1, geringer ist als die Härte des die Ventilsitzfläche bildenden Innenwandbereichs.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt mit Einspritzdüsen, bei welchen die Härte des mittleren Wandbereichs um mindestens 100 HV1 geringer ist als die Härte des Außenwandbereichs. Als optimal hat es sich herausgestellt, wenn die Härte des mittleren Wandbereiches zwischen 400 HV1 und 550 HV1 liegt.
Die Düsenkörper von Einspritzdüsen werden im allgemeinen aus Einsatzstahl herausgestellt, der zum Zweck hoher Härte aufgekohlt wird. Die verminderte Härte des der Ventilsitzfläche bzw. der Sacklochoberfläche gegenüberliegenden Außenwandbereichs der Stirnkuppe kann dadurch erreicht werden, daß die Stirnkuppe außen nicht oder nur wenig aufgekohlt wird, so daß im einsatzgehärteten Zustand an der Kuppenaußenseite ein ausreichendes elastisches Formänderungsvermögen erreicht wird. Vergleichsuntersuchungen haben gezeigt, daß bereits dadurch das Festigkeitsverhalten der Stirnkuppe deutlich erhöht werden kann. Derselbe Erfolg läßt sich erzielen, wenn statt des Einsatzhärtens nitriert oder nitrocarburiert wird, wozu auch andere Stähle als Einsatzstähle, vorzugsweise legierte Vergütungsstähle oder Warmarbeitungsstähle verwendet werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, vor dem Nitrieren oder Nitrocarburieren die Düse zu vergüten.
Die zusätzliche Absenkung der Härte im mittleren Bereich der Stirnkuppe kann in der an sich aus der FR-A-2 328 854 bekannten Weise dadurch erreicht werden, daß die Wandstärke der Stirnkuppe zunächst größer als das Fertigmaß gewählt wird und daß erst nach dem Aufkohlen bzw. Nitrieren oder Nitrocarburieren der inneren und äußeren Wandbereiche der Stirnkuppe das Fertigmaß durch Abtragen einer Teilschicht des aufgekohlten bzw. nitrierten oder nitrocarburierten äußeren Wandbereichs hergestellt und dann erst gehärtet bzw. im Falle des Nitrierens oder Nitrocarburierens gegebenenfalls ein zweites Mal nitriert oder nitrocarburiert wird.
Die Bruchfestigkeit der Stirnkuppe läßt sich weiter erhöhen, wenn die Spritzlöcher erst nach dem Aufkohlen bzw. Nitrieren bzw. Nitrocarburieren oder überhaupt erst nach dem Härten gebohrt werden, und wenn die Einlaufkanten der Spritzlöcher stärker abgerundet werden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch den einspritzseitigen Endabschnitt des ersten Ausführungsbeispiels etwa im Maßstab 1:10, Figur 2 den Härteverlauf quer durch die Kuppenwand des Düsenkörpers der Einspritzdüse nach Figur 1, und Figur 3 das zweite Ausführungsbeispiel in einer der Figur 1 entsprechenden Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Einspritzdüse nach Figur 1 hat einen Düsenkörper 10, in welchem eine Ventilnadel 12 verschiebbar gelagert ist. Diese hat eine kegelige Dichtfläche 14, die mit einer konischen Ventilsitzfläche 16 zusammenarbeitet, welche an einem Innenwandbereich 18 einer Stirnkuppe 20 des Düsenkörpers 10 gebildet ist. Von der Ventilsitzfläche 16 gehen mehrere Spritzlöcher 22 aus, welche die Wand der Stirnkuppe 20 in einem Winkel zur Düsenachse durchstoßen.
Zwischen der Ventilnadel 12 und einer zylindrischen Innenwand des Düsenkörpers 10 ist ein Ringraum 24 gebildet, in welchen eine nicht dargestellte Kraftstoffzuleitung einmündet. Die Ventilnadel 12 ist von einer ebenfalls nicht dargestellten Schließfeder gegen die Ventilsitzfläche 16 gepreßt. Wenn der Kraftstoffdruck im Ringraum 24 auf einen vorgegebenen Wert angestiegen ist, wird die Ventilnadel 12 entgegen der Kraft der Schließfeder angehoben und der Kraftstoff durch die Spritzlöcher 22 ausgespritzt. Der Kegelwinkel der Dichtfläche 14 an der Ventilnadel 12 kann etwas größer gewählt sein als der Winkel der Ventilsitzfläche 16, so daß sich anfangs an der oberen Kante 26 der Dichtfläche 14 die höchste Dichtpreßkraft ergibt.
Im Betrieb der Einspritzdüse wird die Ventilsitzfläche 16 sehr hoch beansprucht. Der die Ventilsitzfläche 16 aufweisende Innenwandbereich 18 der Stirnkuppe 20 ist daher wie üblich durch ein geeignetes Verfahren so behandelt, daß er eine Härte von etwa 750 HV1 (Vickershärte, Belastung 9,8 N) aufweist. Beim Aufschlagen der Ventilnadel 12 auf die Stirnkuppe 20 treten jedoch auch erhebliche Radialkräfte auf, welche eine Sprengwirkung auf die Stirnkuppe 20 ausüben. Diesen Kräften kann durch eine entsprechende Bemessung der Wandstärke der Stirnkuppe 20 nur begrenzt Rechnung getragen werden, weil dadurch auch die Länge der Spritzlöcher 22 beeinflußt wird, die wiederum auf andere Kenngrößen des Einspritzverlaufes, wie Strahlform, Einspritzdruck, Einspritzmenge usw. abgestimmt werden muß.
Um die Bruchfestigkeit der Stirnkuppe 20 zu erhöhen, sind erfindungsgemäß der mittlere Wandbereich 28 und der Außenwandbereich 30 der Stirnkuppe 20 mit einer geringeren Härte als der Innenwandbereich 18 versehen. In Figur 2 ist mit einem vollen Linienzug a der Härteverlauf entlang einer Querschnittslinie durch die Stirnkuppe 20 dargestellt, wobei auf der Abszisse die Entfernung von der Ventilsitzfläche 16 und auf der Ordinate die Härte in HV1 aufgetragen ist. Zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Härteverlauf a ist in Figur 2 durch einen gestrichelten Linienzug b auch der Härteverlauf bei einer herkömmlichen Einspritzdüse dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sinkt die Härte im mittleren Wandbereich 28 bis auf ca. 470 HV1 ab und steigt im Außenwandbereich 30 wieder bis auf ca. 600 HV 1 an. Als Ausgangsteil für das Härten wurde beispielsweise ein aus Einsatzstahl bestehender Düsenkörper verwendet, der noch nicht mit den Spritzlöchern 22 versehen war und dessen Stirnkuppe 20 eine das Fertigmaß um einen bestimmten Betrag übersteigende Wandstärke hatte. Nach dem Aufkohlen und Härten wurden die Spritzlöcher 22 in die Stirnkuppe 20 eingearbeitet und diese durch Abtragen des Übermaßes an der äußeren Mantelfläche auf die vorgeschriebene Wandstärke des verbleibenden Außenwandbereiches 30 geringer als die Härte des Innenwandbereiches 18 ist.
Eine weitere Fertigungsmöglichkeit besteht darin, die Spritzlöcher bei vergrößerter Wandstärke zu bohren und nach dem Aufkohlen bzw. Nitrieren oder Nitrocarburieren die Kuppenaußenseite und damit die Einsatzschicht bzw. Nitrier- oder Nitrocarburierschicht abzudrehen bzw. abzuschleifen. Bei diesem Verfahren sind die Spritzlöcher durchgehend gehärtet.
Eine andere Möglichkeit, die Härte des Außenwandbereichs 30 der Stirnkuppe 20 gegenüber dem Innenwandbereich 18 zu vermindern, besteht wie schon erwähnt darin, daß die Stirnkuppe beim Aufkohlen bzw. Nitrieren oder Nitrocarburieren und Härten bereits das Fertigmaß hat, daßjedoch der Außenwandbereich 30 nicht oder nur geringfügig aufgekohlt bzw. nitriert oder nitrocarburiert wird. Dabei kann sich ein Härteverlauf ergeben, der von innen nach außen betrachtet zunächst in etwa dem herkömmlichen Verlauf b und danach den strichpunktierten Linie c in Figur 2 folgt.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 unterscheidet sich von jenem nach Figur 1 dadurch, daß die Spritzlöcher 22 nicht von der Ventilsitzfläche, sondern von einem in der Stirnkuppe 20a gebildeten Sackloch 32 ausgehen. Zwischen der Stirnkuppe 20a und dem Schaft weist der Düsenkörper 10a einen Übergangsabschnitt 34 auf, der außen durch eine Kegelmantelfläche 36 begrenzt ist. Diese geht an einem Kehlenradius 38 in einen Außenwandbereich 40 der Stirnkuppe 20a über, welcher einem das Sackloch 32 umschließenden Innenwandbereich 42 gegenüberliegt.
Bei der Ausführung nach Figur 3 weist der durch die Kegelmantelfläche 36 und den Kehlenradius 38 begrenzte Außenwandbereich 44 und der dem Sackloch 32 gegenüberliegende Außenwandbereich 40 der Stirnkuppe 20a eine geringere Härte als der die Ventilsitzfläche 16a bildende Innenwandbereich 18a und der das Sackloch 32 umgebende Innenwandbereich 42 auf. Der mittlere Wandbereich 28a der Stirnkuppe 20a kann wie beim ersten Ausführungsbeispiel vorteilhaft eine geringere Härte als die Außenwandbereiche 40, 44 haben.

Claims

1. Kraftstoff-EinspritzdüsefürBrennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper (10, 10a), in welchem eine Ventilnadel (12) mit kegeliger Dichtfläche verschiebbar gelagert ist, die mit einer konischen Ventilsitzfläche (16, 16a) zusammenarbeitet, welche an einem Innenwandbereich (18, 18a) einer Stirnkuppe (20, 20a) des Düsenkörpers gebildet ist, in der mindestens ein Spritzloch (22) vorgesehen ist und die mindestens einen Außenwandbereich hat, der eine geringere Härte aufweist als der mit der Ventilsitzfläche versehene Innenwandbereich der Stirnkuppe, dadurch gekennzeichnet, daß die größere Härte des mit der Ventilsitzfläche (16, 16a) versehenen Innenwandbereichs (18, 18a) der Stirnkuppe (20, 20a) durch Randschichthärtung dieses Innenwandbereichs (18, 18a) erzeugt ist, und daß der zwischen der Ventilsitzfläche (16, 16a) und dem gegenüberliegenden Außenwandbereich (30, 44) liegende mittlere Wandbereich (28, 28a) der Stirnkuppe (20, 20a) eine geringere Härte als der Außenwandbereich (30, 40, 44) aufweist.

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des einen Außenwandbereiches (30 bzw. 40, 44) der Stirnkuppe (20 bzw. 20a) um mindestens 100 HV1, vorzugsweise um 150 HV1, geringer ist als die Härte des die Ventilsitzfläche (16 bzw. 16a) bildenden Innenwandbereiches (18 bzw. 18a).

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des mittleren Wandbereichs (28 bzw. 28a) der Stirnkuppe (20 bzw. 20a) um mindestens 100 HV1 geringer ist als die Härte des Außenwand bereiches (30 bzw. 40, 44).

4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des mittleren Wandbereichs (28 bzw. 28a) der Stirnkuppe (20 bzw. 20a) zwischen 400 HV1 und 550 HV1 liegt.

5. Einspritzdüse nach Anspruch 1, mit einem an die Ventilsitzfläche anschließenden Sackloch, von welchem mindestens ein Spritzloch ausgeht, dadurch gekennzeichnet, daß auch der das Sackloch (32) umgebende Innenwandbereich (18a, 42) der Stirnkuppe (20a) randschichtgehärtet ist und der zwischen dem Sachloch (32) und dem gegenüberliegenden Außenwandbereich (40) liegende mittlere Wandbereich (28a) der Stirnkuppe (20a) eine geringere Härte als der Außenwandbereich (40, 44) aufweist.

6. Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschichthärtung durch das sogenannte Einsatzhärten erfolgt, bei welchen die Wandbereiche des Düsenkörpers (10) vor dem Glühen aufgekohlt werden.

7. Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschichthärtung durch Nitrieren oder Nitrocarburieren erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fertigmaß der Wandstärke der Stirnkuppe (20 bzw. 20a) durch Abtragen der einem äußeren Übermaß entsprechenden Materialschicht nach dem Aufkohlen, jedoch vor dem Härten oder nach dem Vergüten und Nitrieren bzw. Nitrocarburieren, hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Spritzlöcher (22) erst nach der Randschichthärtung in die Stirnkuppe (20 bzw. 20a) eingearbeitet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Spritzlöcher (22) nach dem Aufkohlen, jedoch vor dem Härten oder nach dem Nitrieren bzw. Nitrocarburieren der Stirnkuppe (20 bzw. 20a), in diese eingearbeitet sind.