EP0955128A2 - Dichtungsanordnung, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung eines Dichtsitzes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a sealing arrangement, in particular for fuel injection valves in internal combustion engines, consisting of a valve ball and a valve body which has a conical valve seat for the valve ball, the conical valve seat having a surface machined by grinding.
- the conical valve seat of a ball valve which is used as a fuel injector in small dimensions, is machined by grinding with a conical grinding tool, with a line contact between the grinding tool and the conical surface to be machined.
- shape deviations from the circular shape are unavoidable.
- the shape deviation from the circular shape is more than 1 ⁇ m, based on the diameter. Shape deviations of more than 1 ⁇ m lead to annoying leak rates when the valve is closed.
- the invention is based on the object of specifying a sealing arrangement which can be used in particular for fuel injection valves and consists of a valve ball and a conical valve seat, which is characterized by the tightest possible seating of the valve ball on the valve seat of the valve body and for metallic and ceramic material combinations of the valve ball and the valve body is suitable.
- the object is achieved according to the invention in that the valve seat has an annularly encircling and circularly circularly shaped seat surface for the sealing seat of the valve ball, which is worked into the conical surface by fine grinding (finish machining), the radius of which forms the seat surface Circular arc is greater than the radius of the valve ball and the trough-shaped recess of the seat surface in the longitudinal section is dimensioned such that the shape deviations of the conically ground valve seat, measured in cross section, are eliminated from the circular shape at least in the apex region of the circular arc-shaped seat surface.
- the shape deviation from the circular shape can be less than 0.1 ⁇ m (Micrometer) can be reduced.
- the result is a tight fit between the metallic / ceramic metal ball and the metallic / ceramic seat, which is characterized by a very low leakage rate.
- the width of the seat surface is preferably 200 to 500 ⁇ m.
- the seat should have a surface roughness of less than 0.1 ⁇ m Ra.
- the trough-shaped depression, measured in the apex of the arc-shaped seat surface, to the jacket plane of the valve seat is in the range from 2 to 10 ⁇ m.
- the grindstone is inserted into a plastic shaft, which as flexible use with a radial clearance of 100 to 300 ⁇ m in the tool holder and is firmly clamped in the tool holder with a rear connecting pin with a press fit.
- the invention teaches that the insert is held in an actuating piston which is movable in the tool holder and which executes feed and return movements relative to the workpiece holder by pressurization with a hydraulic fluid. Furthermore, through a central bore of the tool holder, the insert and the grindstone, cooling liquid can be supplied to the contact surface between the grindstone and the workpiece.
- valve seat 3 for the valve ball 1.
- the conical valve seat 3 has a surface machined by grinding with a surface roughness of 0.3 to 0.5 ⁇ m Ra.
- grinding which is carried out with a conical grinding wheel, deviations from the circular shape are unavoidable in relation to the cross-sectional plane. They are based on the fact that only one line contact occurs between the grinding tool and the surface of the workpiece to be machined during grinding.
- the shape deviations from the circular shape are in a seal arrangement with a valve body, the valve seat of which is 2 to 3 mm in diameter, shape deviations of up to 5 ⁇ m.
- valve seat has a seat surface 4 for the sealing seat of the valve ball 1, which is machined into the conical surface by means of fine grinding (finish processing) and has an annular circumference and a circular arc in longitudinal section.
- the radius of the circular arc forming the seat surface 4 is larger than the radius of the valve ball 1.
- the trough-shaped depression of the seat surface in the longitudinal section of the valve body is further dimensioned such that the cross-sectional shape deviations of the conically ground valve seat are eliminated from the circular shape at least in the apex area of the circular arc-shaped seat surface.
- the conical valve seat 3 has an average diameter of a few millimeters.
- the width of the seat surface 4 measured in the lateral plane of the conical valve seat 3 is substantially smaller than the width of the conical valve seat and is 200 to 500 ⁇ m.
- the surface roughness of the seat is low, whereby a finish of 0.1 ⁇ m Ra can be easily achieved by finishing.
- the trough-shaped depression to the lateral plane of the valve seat measured in the apex of the arc-shaped seat surface 4 is in the range from 2 to 10 ⁇ m.
- the average diameter of the valve seat measured at the contact surface with the valve ball, is 2.7 mm.
- the valve ball has a diameter of 3.9 mm.
- a circular arc-shaped seat is incorporated in the longitudinal section of the valve body, the radius of the circular arc being 2.9 mm and larger than the radius of the valve ball.
- the width of the seat is 300 ⁇ m.
- the trough-shaped depression is 5 ⁇ m (Fig. 2).
- the sealing seat of the arrangement according to the invention has a leak rate of 0.03 cm 3 at a pressure difference of 2.5 bar.
- FIG. 3 The method for producing the sealing arrangement according to the invention is shown schematically in FIG. 3.
- a valve body 2 is clamped with a conically ground valve seat 3 for the valve ball in a workpiece holder 5 which can be driven in rotation.
- a cylindrical grindstone 6 for fine grinding (finish machining) is inserted with an insert 7, which allows radial compensatory movements of the grindstone 6, into a tool holder 8, which is oriented at an angle of inclination ⁇ of 1 to 10 ° to the axis of rotation 9 of the workpiece holder 5 .
- the conical valve seat 3 and the grindstone 6 are brought into contact by a feed movement of the tool holder 8 and / or workpiece holder 5, the grindstone 6 resting on the entire circumference of the conical valve seat 3 with an end machining edge.
- the tool holder 8 and the workpiece holder 5 are then driven to rotate in opposite directions, with the grinding stone 6 being used to work into the conical valve seat 3 by means of the grinding stone 6, an annular circumferential seat 4 that is circular in the longitudinal section of the valve body, as shown in FIG.
- the construction of the device results in particular from Fig. 4.
- the grindstone 6 is inserted in a plastic shaft, which is guided as a flexible insert 7 with a radial play of 100 to 300 microns in the tool holder 8 and with a rear connecting pin 10 with a press fit in Tool holder 8 is clamped firmly.
- the plastic shaft 7 is held in an actuating piston 11 which is movable in the tool holder 8 and which, by pressurizing it with a hydraulic fluid, makes feed and reset movements relative to Workpiece holder 5 executes.
- Central bores 12 of the tool holder, the insert and the grindstone for the supply of coolant to the contact surface between the grindstone and the workpiece can also be seen
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Ventilkugel und einem Ventilkörper, der einen konischen Ventilsitz für die Ventilkugel aufweist, wobei der konische Ventilsitz eine durch Schleifen bearbeitete Oberfläche aufweist.
- Der konische Ventilsitz eines Kugelventils, welches in kleinen Abmessungen als Brennstoffeinspritzventil eingesetzt wird, wird durch Schleifen mit einem kegelförmigen Schleifwerkzeug bearbeitet, wobei zwischen dem Schleifwerkzeug und der zu bearbeiteten konischen Oberfläche ein Linienkontakt besteht. Bei dem bekannten Schleifverfahren sind, in einer Querschnittsebene betrachtet, Formabweichungen von der Kreisform unvermeidlich. Bei einem Brennstoffeinspritzventil, welches einen mittleren Durchmesser des konischen Ventilsitzes von einigen Millimetern aufweist, beträgt die Formabweichung von der Kreisform mehr als 1 µm, bezogen auf den Durchmesser. Formabweichungen von mehr als 1 µm führen zu störenden Leckraten bei geschlossenem Ventil.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für Brennstoffeinspritzventile einsetzbare Dichtungsanordnung bestehend aus Ventilkugel und konischem Ventilsitz anzugeben, die sich durch einen möglichst dichten Sitz der Ventilkugel auf dem Ventilsitz des Ventilkörpers auszeichnet und für metallische sowie keramische Werkstoffpaarungen der Ventilkugel und des Ventilkörpers geeignet ist.
- Ausgehend von einer Dichtungsanordnung des eingangs beschriebenen Aufbaues wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilsitz eine durch Feinschleifen (Finishbearbeitung) in die konische Fläche eingearbeitete ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche für den Dichtsitz der Ventilkugel aufweist, wobei der Radius des die Sitzfläche bildenden Kreisbogens größer ist als der Radius der Ventilkugel und die im Längsschnitt muldenförmige Vertiefung der Sitzfläche so bemessen ist, daß die im Querschnitt gemessene Formabweichungen des konisch geschliffenen Ventilsitzes von der Kreisform zumindest im Scheitelbereich der kreisbogenförmigen Sitzfläche eliminiert sind. Durch die Einarbeitung einer im Ventilkörperlängsschnitt kreisbogenförmigen Sitzfläche, deren Breite in bezug auf die Breite des konischen Ventilsitzes sehr klein ist und auf den unmittelbaren Kontaktbereich zwischen Ventilkugel und Ventilsitz beschränkt ist, kann die Formabweichung von der Kreisform auf einen Wert von weniger als 0,1 µm (Mikrometer) reduziert werden. Im Ergebnis resultiert ein Dichtsitz zwischen metallischer/keramischer Metallkugel und metallischer/keramischer Sitzfläche, die sich durch eine sehr geringe Leckrate auszeichnet.
- Bei einer Dichtungsanordnung für ein Brennstoffeinspritzventil, dessen mittlerer Durchmesser des Ventilsitzes einige Millimeter beträgt, beträgt die Breite der Sitzfläche vorzugsweise 200 bis 500 µm. Die Sitzfläche sollte eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 0,1 µm Ra aufweisen. Die im Scheitel der kreisbogenförmigen Sitzfläche gemessene muldenförmige Vertiefung zur Mantelebene des Ventilsitzes liegt im Bereich von 2 bis 10 µm.
- Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtsitzes zwischen einer Ventilkugel und einem Ventilkörper mit konischem Ventilsitz, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bei dem
- ein Ventilkörper mit einem konisch geschliffenen Ventilsitz für die Ventilkugel in einen rotierend antreibbaren Werkstückhalter eingespannt wird,
- ein zylindrischer Schleifstein für eine Feinschleifbearbeitung mit einem Einsatz, der radiale Bewegungen des Schleifsteins zuläßt, in einen Werkzeughalter eingesetzt wird, der unter einem Anstellwinkel von 1 bis 10° schräg zur Rotationsachse des Werkstückhalters ausgerichtet ist,
- durch eine Vorschubbewegung des Werkzeughalters und/oder des Werkstückhalters der konische Ventilsitz und der Schleifstein in Kontakt gebracht werden, wobei der Schleifstein mit einer stirnseitigen Bearbeitungskante am gesamten Umfang des konischen Ventilsitzes anliegt,
- Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Schleifstein in einen Kunststoffschaft eingesetzt, der als flexibler Einsatz mit einem Radialspiel von 100 bis 300 µm im Werkzeughalter geführt und mit einem rückwärtigen Anschlußzapfen mit einem Preßsitz im Werkzeughalter fest eingespannt ist.
- In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß der Einsatz in einem im Werkzeughalter beweglichen Stellkolben gehalten ist, der durch Druckbeaufschlagung mit einem Hydraulikfluid Zustell- und Rückstellbewegungen relativ zum Werkstückhalter ausführt. Ferner kann durch eine Zentralbohrung des Werkzeughalters, des Einsatzes und des Schleifsteins Kühlflüssigkeit der Kontaktfläche zwischen dem Schleifstein und dem Werkstück zugeführt werden.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung für ein Brennstoffeinspritzventil mit einer metallischen Ventilkugel und einem metallischen Ventilkörper, der einen konischen Ventilsitz für die Ventilkugel aufweist,
- Fig. 2
- die Oberflächenstruktur des Ventilsitzes im Bereich der Kontaktfläche der Ventilkugel,
- Fig. 3
- das Verfahren zur Herstellung der Sitzfläche des Ventilsitzes,
- Fig. 4
- den Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des in Fig. 3 dargestellten Verfahrens.
- Die in Fig. 1 dargestellte Dichtungsanordnung, die für ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bestimmt ist, besteht aus einer Ventilkugel 1 und einem Ventilkörper 2, der einen konischen Ventilsitz 3 für die Ventilkugel 1 aufweist. Der konische Ventilsitz 3 weist eine durch Schleifen bearbeitete Oberfläche mit einer Oberflächenrauhigkeit von 0,3 bis 0,5 µm Ra auf. Bei der Schleifbearbeitung, die mit einer kegelförmigen Schleifscheibe durchgeführt wird, sind, bezogen auf die Querschnittsebene, Formabweichungen von der Kreisform unvermeidlich. Sie beruhen darauf, daß bei der Schleifbearbeitung stets nur eine Linienberührung zwischen dem Schleifwerkzeug und der zu bearbeiteten Oberfläche des Werkstückes auftritt. Die Formabweichungen von der Kreisform betragen bei einer Dichtungsanordnung mit einem Ventilkörper, dessen Ventilsitz 2 bis 3 mm im Durchmesser aufweist, Formabweichungen von bis zu 5 µm.
- Insbesondere aus der Fig. 2 geht hervor, daß der Ventilsitz eine durch Feinschleifen (Finishbearbeitung) in die konische Fläche eingearbeitete, ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche 4 für den Dichtsitz der Ventilkugel 1 aufweist. Der Radius des die Sitzfläche 4 bildenden Kreisbogens ist größer als der Radius der Ventilkugel 1. Die im Ventilkörperlängsschnitt muldenförmige Vertiefung der Sitzfläche ist ferner so bemessen, daß im Querschnitt gemessene Formabweichungen des konisch geschliffenen Ventilsitzes von der Kreisform zumindest im Scheitelbereich der kreisbogenförmigen Sitzfläche eliminiert sind.
- Bei einer Dichtungsanordnung für Brennstoffeinspritzventile weist der konische Ventilsitz 3 im Mittel einen Durchmesser von einigen Millimetern auf. Die in der Mantelebene des konischen Ventilsitzes 3 gemessene Breite der Sitzfläche 4 ist wesentlich kleiner als die Breite des konischen Ventilsitzes und beträgt 200 bis 500 µm. Die Oberflächenrauhigkeit der Sitzfläche ist gering, wobei durch die Finishbearbeitung ohne weiteres eine Mittelrauhigkeit von 0,1 µm Ra erreichbar ist. Die im Scheitel der kreisbogenförmigen Sitzfläche 4 gemessene muldenförmige Vertiefung zur Mantelebene des Ventilsitzes liegt im Bereich von 2 bis 10 µm.
- Im Ausführungsbeispiel beträgt der mittlere Durchmesser des Ventilsitzes, gemessen an der Kontaktfläche zur Ventilkugel 2,7 mm. Die Ventilkugel weist einen Durchmesser von 3,9 mm auf. In den konischen Ventilsitz ist eine im Ventilkörperlängsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet, wobei der Radius des Kreisbogens 2,9 mm beträgt und größer ist als der Radius der Ventilkugel. Die Breite der Sitzfläche beträgt 300 µm. Die muldenförmige Vertiefung beträgt 5 µm (Fig. 2). Der Dichtsitz der erfindungsgemäßen Anordnung weist eine Leckrate von 0,03 cm3 bei einer Druckdifferenz von 2,5 bar auf.
- Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.
- Ein Ventilkörper 2 wird mit einem konisch geschliffenen Ventilsitz 3 für die Ventilkugel in einen rotierend antreibbaren Werkstückhalter 5 eingespannt. Ein zylindrischer Schleifstein 6 für eine Feinschleifbearbeitung (Finishbearbeitung), wird mit einem Einsatz 7, der radiale Ausgleichsbewegungen des Schleifsteins 6 zuläßt, in einen Werkzeughalter 8 eingesetzt, der unter einem Anstellwinkel α von 1 bis 10° schräg zur Rotationsachse 9 des Werkstückhalters 5 ausgerichtet ist. Durch eine Vorschubbewegung des Werkzeughalters 8 und/oder Werkstückhalters 5 werden der konische Ventilsitz 3 und der Schleifstein 6 in Kontakt gebracht, wobei der Schleifstein 6 mit einer stirnseitigen Bearbeitungskante am gesamten Umfang des konischen Ventilsitzes 3 anliegt. Der Werkzeughalter 8 und der Werkstückhalter 5 werden dann gegensinnig rotierend angetrieben, wobei mittels des Schleifsteins 6 eine ringförmig umlaufende und im Ventilkörperlängsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche 4, wie in Fig. 2 dargestellt, in den konischen Ventilsitz 3 eingearbeitet wird.
- Die konstruktive Ausführung der Vorrichtung ergibt sich insbesondere aus der Fig. 4. Der Schleifstein 6 ist in einem Kunststoffschaft eingesetzt, der als flexibler Einsatz 7 mit einem Radialspiel von 100 bis 300 µm im Werkzeughalter 8 geführt und mit einem rückwärtigen Anschlußzapfen 10 mit einem Preßsitz im Werkzeughalter 8 fest eingespannt ist. Der Kunststoffschaft 7 ist in einem im Werkzeughalter 8 beweglichen Stellkolben 11 gehalten, der durch Druckbeaufschlagung mit einer Hydraulikflüssigkeit Zustell- und Rückstellbewegungen relativ zum Werkstückhalter 5 ausführt. Ferner erkennt man zentrale Bohrungen 12 des Werkzeughalters, des Einsatzes und des Schleifsteins für die Zuführung von Kühlflüssigkeit zur Kontaktfläche zwischen dem Schleifstein und dem Werkstück
Claims (7)
- Dichtungsanordnung, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Ventilkugel (1) und einem Ventilkörper (2), der einen konischen Ventilsitz (3) für die Ventilkugel (1) aufweist, wobei der konische Ventilsitz (3) eine durch Schleifen bearbeitete Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (3) eine durch Feinschleifen (Finishbearbeitung) in die konische Fläche eingearbeitete, ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche (4) für den Dichtsitz der Ventilkugel (1) aufweist, wobei der Radius des die Sitzfläche (4) bildenden Kreisbogens größer ist als der Radius der Ventilkugel (1) und die im Längsschnitt muldenförmige Vertiefung der Sitzfläche (4) so bemessen ist, daß im Querschnitt gemessene Formabweichungen des konisch geschliffenen Ventilsitzes (3) von der Kreisform zumindest im Scheitelbereich der kreisbogenförmigen Sitzfläche (4) eliminiert sind.
- Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mantelebene des konischen Ventilsitzes (3) gemessene Breite der Sitzfläche 200 bis 500 µm (Mikrometer) beträgt und die Sitzfläche (4) eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 0,1 µm Ra aufweist.
- Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Scheitel der kreisbogenförmigen Sitzfläche (4) gemessene muldenförmige Vertiefung zur Mantelebene des Ventilsitzes (3) im Bereich von 2 bis 10 µm (Mikrometer) liegt.
- Verfahren zur Herstellung eines Dichtsitzes zwischen einer Ventilkugel und einem Ventilkörper mit konischem Ventilsitz, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bei demein Ventilkörper (2) mit einem konisch geschliffenen Ventilsitz (3) für die Ventilkugel (1) in einen rotierend antreibbaren Werkstückhalter (5) eingespannt wird,ein zylindrischer Schleifstein (6) für eine Feinschleifbearbeitung mit einem Einsatz (7), der radiale Bewegungen des Schleifsteins (6) zuläßt, in einen Werkzeughalter (8) eingesetzt wird, der unter einem Anstellwinkel (α) von 1 bis 10° schräg zur Rotationsachse (9) des Werkstückhalters (5) ausgerichtet ist,durch eine Vorschubbewegung des Werkzeughalters (8) und/oder des Werkstückhalters (5) der konische Ventilsitz (3) und der Schleifstein (6) in Kontakt gebracht werden, wobei der Schleifstein (6) mit einer stirnseitigen Bearbeitungskante am gesamten Umfang des konischen Ventilsitzes (3) anliegt,wobei der Werkzeughalter (8) und der Werkstückhalter (5) gegensinnig rotierend angetrieben werden und mittels des Schleifsteins (6) eine ringförmig umlaufende und im Ventilkörperlängsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche (4) für die Ventilkugel (1) in den konischen Ventilsitz (3) eingearbeitet wird, wobei der Radius des die Sitzfläche (4) bildenden Kreisbogens größer ist als der Radius der Ventilkugel (1) und die im Ventilkörperlängsschnitt muldenförmige Vertiefung der Sitzfläche (4) so bemessen ist, daß im Querschnitt gemessene Formabweichungen des konisch geschliffenen Ventilsitzes (3) von der Kreisform zumindest im Scheitelbereich der kreisbogenförmigen Sitzfläche (4) eliminiert sind.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifstein (6) in einen Kunststoffschaft eingesetzt wird, der als flexibler Einsatz (7) mit einem Radialspiel von 100 bis 300 µm im Werkzeughalter (8) geführt und mit einem rückwärtigen Anschlußzapfen (10) mit einem Preßsitz im Werkzeughalter (5) fest eingespannt ist.
- Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) in einem im Werkzeughalter (8) beweglichen Stellkolben (11) gehalten ist, der durch Druckbeaufschlagung mit einer Hydraulikflüssigkeit Zustell- und Rückstellbewegungen relativ zum Werkstückhalter (5) ausführt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Zentralbohrung (12) des Werkzeughalters (8), des Einsatzes (7) und des Schleifsteins (6) Kühlflüssigkeit der Kontaktfläche zwischen dem Schleifstein und dem Werkstück zugeführt wird.
Applications Claiming Priority (2)
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| EP0955128A2 true EP0955128A2 (de) | 1999-11-10 |
| EP0955128A3 EP0955128A3 (de) | 2001-04-11 |
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| EP98109828A Expired - Lifetime EP0955128B1 (de) | 1998-05-06 | 1998-05-29 | Dichtungsanordnung, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung eines Dichtsitzes |
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