EP1066466A1 - High-pressure piston cylinder unit - Google Patents

High-pressure piston cylinder unit

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EP1066466A1
EP1066466A1 EP99915701A EP99915701A EP1066466A1 EP 1066466 A1 EP1066466 A1 EP 1066466A1 EP 99915701 A EP99915701 A EP 99915701A EP 99915701 A EP99915701 A EP 99915701A EP 1066466 A1 EP1066466 A1 EP 1066466A1
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EP
European Patent Office
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grooves
unit according
piston
guide surface
pressure unit
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EP99915701A
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German (de)
French (fr)
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EP1066466B1 (en
Inventor
Bernd Danckert
Rainer Von Bischopinck
Wolfgang Scheibe
Bernd Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LOrange GmbH
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
LOrange GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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Publication date
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M59/442—Details, components parts, or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M59/02 - F02M59/42; Pumps having transducers, e.g. to measure displacement of pump rack or piston means preventing fuel leakage around pump plunger, e.g. fluid barriers
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    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type
    • F02M61/12—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type characterised by the provision of guiding or centring means for valve bodies
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Definitions

  • the invention relates to a high-pressure piston-cylinder unit, in particular an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, in particular for high numbers of strokes, as presupposed in the preamble of claim 1.
  • the piston guided in the cylinder bore either serves to deliver the fuel to be injected into the combustion chamber of the internal combustion engine, as in the case of an injection pump, or in the case of an injection valve to open the injection valve under the action of the fuel to be injected under high pressure, typically by the Piston lifts a nozzle needle coupled to it or made in one piece with it from the valve seat of a needle valve and thus releases an injection cross section for injecting the fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the piston serving to actuate the injection valve of a common rail fuel injector which is typically coupled to the valve needle of the injection valve or embodied in one piece with the material, is permanently exposed to the high fuel pressure
  • the nozzle needle guide to the nozzle needle seat or of the piston in the cylinder bore has a permanent leakage flow that is asymmetrical over the piston circumference.
  • there are high radial forces which increase the deaxing and which are present during the entire lifting phase, in particular even at the beginning of the lifting phase. These radial forces can lead to starting or rubbing and excessive wear of the nozzle needle in the nozzle needle guide or the piston in the cylinder bore.
  • valve needle is formed in two parts by a hollow needle and a valve needle guided in an inner bore of the hollow needle.
  • the hollow needle has in the area of its tip a number of grooves running in the circumferential direction, which in the longitudinal direction of the valve needle by a distance of approximately the order of magnitude Diameter of the valve needle are spaced and have a width and depth that correspond to about a tenth of the valve needle diameter.
  • Fuel injection pumps for large diesel engines are known to prevent “seizing" of the piston.
  • EP 0 565 742 A1 discloses methods for the fine machining of workpiece surfaces, in particular walls of the bores in the cylinder of an internal combustion engine, in which grooves are produced in the surface by beam treatment, in particular by means of a laser, according to a predetermined pattern, which serve as a lubricant reservoir should.
  • EP 0419 999 B1 discloses a method for machining surfaces which are highly stressed by friction in internal combustion engines, in particular the cylinder running surfaces of piston engines, in which the surface is honed and additionally subjected to laser beam treatment, the laser treatment for evaporation of outstanding roughness peaks or scaling serves to achieve a smoother surface.
  • the object of the invention is to provide a high-pressure piston-cylinder unit, in particular for an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, in which there is less risk of wear of a piston guided in a cylinder bore due to deaxing.
  • the invention is also intended to provide a method for producing such a high-pressure unit. This object is achieved by the high-pressure piston-cylinder unit specified in the claims or by the method for producing such specified in the claims, the respective advantageous embodiments being specified in the subclaims.
  • the invention provides a high-pressure piston-cylinder unit, in particular an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, in particular for a high number of strokes, in which a piston guided in a cylinder bore is exposed to a high pressure and thus a high pressure difference on one side, according to the invention At least in a part of the guide surface of the piston, fine grooves running at a short distance from one another are formed.
  • An advantage of the guide surface of the piston designed according to the invention is that the grooves provide a hydraulic pressure equalization on the circumference of the guide and thus prevent the piston from resting on one side in the cylinder bore or at least reduce the contact forces.
  • a further advantage is that the leakage flow is reduced after the piston is centered in the longitudinal direction of the guide surface of the piston, and the hydraulic efficiency of the unit is thus improved.
  • a reduction in the leakage flow is also achieved solely because the grooves running transversely to the direction of the leakage flow act like a labyrinth seal.
  • a further advantage can be seen that the fluid present in the grooves wets the contact surfaces, whereby a lubrication effect is achieved.
  • the grooves formed in the guide surface advantageously have a width b of between 5 and 100 ⁇ m, preferably between 10 and 40 ⁇ m.
  • the depth t of the grooves is advantageously between 3 to 50 ⁇ m, preferably between 10 to 30 ⁇ m.
  • the distance a of the grooves is advantageously between 0.05 to 1 mm, preferably between 0.1 to 0.5 mm, preferably between 0.1 to 0.3 mm.
  • the width b of a groove essentially corresponds to its depth t.
  • the ratio of the depth t of the groove to the nominal diameter D of the guide surface is between 1/200 and 1/1000.
  • the grooves are designed to run in the circumferential direction of the guide surface.
  • the grooves can be formed with a distance a varying in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves are designed to run in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves are formed at an angle to the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves can have a gradient which varies in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves are formed by a helical line.
  • the helix is multi-start.
  • the helix can have a gradient that varies in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves are designed to run crosswise at different angles to the longitudinal direction of the guide surface.
  • grooves are designed with a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves are formed in a region of the guide surface which adjoins the high pressure of the piston.
  • the grooves can be formed over the entire area of the guide surface.
  • the grooves are formed in the lateral surface of the piston which serves as a guide surface.
  • the grooves can be provided in the cylinder bore serving as a guide surface.
  • the invention is of particular value in the case of a high-pressure piston-cylinder unit which is part of a fuel injector of a common rail injection system in which the piston serves to actuate the injection valve of the fuel injector, and the pressure difference is permanently applied to the piston.
  • constant deaxing can occur, that is to say from the beginning of the movement of the piston in the cylinder bore, which is why the invention can be used to achieve a significant reduction in wear with particular advantage.
  • the piston is advantageously made of one piece of material on the nozzle needle of the injection valve, the piston having a shoulder which is permanently acted upon by the fuel pressure of the common rail injection system.
  • the grooves are advantageously formed on the lateral surface of the piston which adjoins the shoulder acted upon by the fuel pressure and serves as a guide surface.
  • the method according to the invention for producing a high-pressure unit of the invention provides that the grooves are produced by machining, for example fine turning.
  • An alternative method which is of particular advantage, provides for the grooves to be produced by beam machining.
  • Such beam processing is advantageously carried out in particular by laser engraving.
  • An advantageous development of the method according to the invention provides that, after the grooves have been produced, lapping or fine grinding of the 8th
  • the grooves can also be preceded by a fine machining of the guide surface.
  • Figure 1 is a partially sectioned side view of the injector
  • Fuel injector of a common rail injection system which is designed according to an exemplary embodiment of the invention, the section A enlarged showing the fine grooves provided in the guide surface of a piston of the injection valve;
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the nozzle needle of the injection valve of the fuel injector shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a greatly enlarged cross section through the fine grooves formed on the guide surface of the piston of the nozzle needle shown in FIG. 2;
  • Figure 4 is a view corresponding to Figure 2 of the nozzle needle of the injection valve with four embodiments a) to d) the arrangement of the grooves on the as
  • Figure 5 is a greatly enlarged view of the guide surface of the piston with grooves designed as a screw thread.
  • FIG. 1 shows a view, partly in cross section, of the injection nozzle of a fuel injector for a common rail fuel injection system.
  • the injection nozzle designated by reference number 1 has a needle housing 2, in which a cylinder bore 3 is provided.
  • a piston 5 is located in this cylinder bore 3 performed, which is integrally formed with a nozzle needle 4.
  • the nozzle needle 4 has a needle tip 8 which interacts with a valve seat 9.
  • an injection cross section 11 is formed in the form of injection openings.
  • a shoulder 6 is formed, which lies in the area of an annular space 12 formed in the needle housing, into which a fuel channel 7 opens.
  • the fuel channel 7 leads to a high-pressure accumulator of the common rail system, in which fuel to be injected is held under high pressure.
  • the fuel injector has an electromechanical or hydraulic actuating element, not shown in FIG. 1, as is well known per se, by means of which the piston 5 is released in the sense of an upward movement, so that the piston in the annular space 12 fuel pressure acting on the shoulder 6 of the piston 5 causes the nozzle needle 4 and thus the needle tip 8 to be lifted out of the valve seat 9 and thus releases the injection cross section 11.
  • fine grooves 10 are formed in the lateral surface of the piston 5 at a short distance from one another. These grooves 10 on the one hand bring about a hydraulic pressure compensation over the circumference of the piston 5 in the guide formed by the cylinder bore 3 and thus prevent the piston 5 from one-sided contact due to the annular space 12 in the gap between the outer surface of the piston 5 and the cylinder bore 3 entering fuel under high pressure when the nozzle needle guide is deaxed. At the same time, an asymmetrical and thus increased leakage flow in the longitudinal direction of the guide between the outer surface of the piston 5 and the cylinder bore 3 is reduced, and thus the hydraulic efficiency of the fuel injector is improved.
  • the nozzle needle 4 provided in one piece with the piston 5 is shown enlarged.
  • the piston 5 has a nominal diameter D, which at the 10 illustrated embodiment is 6.8 millimeters.
  • D nominal diameter
  • the grooves 10 are formed over a length 1 in the circumferential direction on the lateral surface of the piston 5. In the illustrated embodiment, this length 1, over which the grooves 10 are provided, is approximately 22 mm.
  • FIG. 3 shows a greatly enlarged cross section through the surface of the jacket of the piston 5, which shows two grooves 10.
  • the cross section of the grooves 10 has a substantially triangular shape in the illustrated embodiment.
  • the width b of a groove is, for example, 5 to 100 ⁇ m, preferably between 10 to 40 ⁇ m. In the illustrated embodiment, the groove width b is 30 ⁇ m.
  • the groove depth t can be 3 to 50 ⁇ m, preferably between 10 to 30 ⁇ m. In the exemplary embodiment shown, the depth is 15 ⁇ m.
  • the distance a between two grooves can be between 0.05 to 1 mm, preferably between 0.1 to 0.5 mm, preferably between 0.1 to 0.3 mm. In the illustrated embodiment, the distance a is 0.2 mm.
  • the ratio of the depth t of the groove 10 to the nominal diameter D of the guide surface or of the piston 5 is advantageously between 1/200 and 1/1000. In the illustrated embodiment, the ratio mentioned is around 1/450, which has proven to be particularly advantageous.
  • the cross section of the grooves 10 can take other forms instead of a triangular shape, for example a semicircular shape.
  • FIG. 4 again shows a representation corresponding to FIG. 2 and examples a) to d) of the structuring of the outer surface of the piston 5.
  • the grooves 10 are formed in the circumferential direction of the piston 5, as shown in the side view above and also in FIG.
  • the grooves are formed with the same distance a in the longitudinal direction, alternatively the grooves 10 can also be formed with a distance a varying in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves 10 are designed to run in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves 10 are designed to run at an angle to the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves 10 all have the same slope.
  • the grooves 10 can also be provided with an incline that varies in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the grooves 10 can be formed by a helical line.
  • a section of the guide surface with grooves formed as a screw thread 22 is shown in FIG. 5.
  • the guide surface is a cylindrical piston surface which is divided by the threads of the screw thread 22.
  • the pitch of the screw thread 22 is indicated by s.
  • the screw thread or the screw line can be single-start or multi-start.
  • the helix may have a constant gradient in the longitudinal direction of the guide surface or, alternatively, a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface. The formation of the grooves as a helix is particularly advantageous in terms of production technology.
  • the grooves 10 can be designed to run crosswise at different angles to the longitudinal direction of the guide surface, the angles 12 opposite, but may be the same in amount or different in amount. While in the illustrated embodiment the slope of the grooves 10 in the longitudinal direction of the guide surface is the same, the grooves 10 can alternatively also be formed with a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface.
  • the structuring patterns according to FIGS. 4a) to 4d) are basic patterns, but different patterns are also possible. Furthermore, several patterns can be combined in accordance with the type described with reference to FIGS. 4a) to 4d).
  • the distance a of the grooves 10 in the longitudinal direction of the guide surface is selected so that it essentially corresponds to the operating stroke of the piston 5 in the cylinder bore 3. This has the advantageous effect that the remaining guide surface on the jacket of the piston 5 between the grooves 10 is constantly moving on wetted surfaces of the guide, thus largely preventing the guide from running dry. In the case of a single-start thread, the distance a between the grooves 10 then corresponds to the thread pitch.
  • the grooves 10 are formed in the outer surface of the piston 5 in their function as a guide surface.
  • the grooves 10 can also be formed in the cylinder bore 3 as a guide surface.
  • the piston is exposed to a high pressure difference on one side, as is the case in particular with other injection valves and injection pumps for internal combustion engines, the invention leads to a corresponding advantage.
  • the grooves 10 in the guide surface of the piston can be produced by machining, for example by turning, precision turning, grinding or milling.
  • the grooves, in particular on the lateral surface of the piston 5, can be produced by beam machining, the method of laser engraving being particularly advantageous.
  • the grooves 10 are produced after the finishing (grinding) of the guide surface. After the grooves 10 have been produced, the guide surface is lapped or ground to produce the final surface of the guide surface. A fine machining of the guide surface before creating the grooves can also be omitted if adequate dimensional accuracy can be ensured by suitable manufacturing measures.

Abstract

The invention relates to a high-pressure piston cylinder unit, especially an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, and to a method for producing one such high-pressure piston cylinder unit. The high-pressure piston cylinder unit has a piston which is guided inside a cylinder bore and which is coupled to an actuating element. The piston is subjected to a high pressure differential. According to the invention, fine grooves which run very close to one another are configured in at least one part of the guiding surface of the piston. The grooves ensure hydraulic pressure compensation on the periphery of the guiding surface, thus reducing wear, and prevent leakage in a longitudinal guiding direction.

Description

Hochdruck-KolbenzylindereinheitHigh pressure piston cylinder unit
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Kolbenzylindereinheit, insbesondere eine Einspritzpumpe oder ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für hohe Hubzyklenzahlen, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt.The invention relates to a high-pressure piston-cylinder unit, in particular an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, in particular for high numbers of strokes, as presupposed in the preamble of claim 1.
Bei einer solchen Hochdruck-Kolbenzylindereinheit, welche einer großen Zahl von Hubzyklen ausgesetzt ist, wie es insbesondere bei einer Einspritzpumpe oder einem Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine der Fall ist, ist allgemein ein Kolben vorhanden, welcher in einer Zylinderbohrung gefuhrt ist, und welcher einer hohenIn such a high-pressure piston-cylinder unit, which is exposed to a large number of stroke cycles, as is the case in particular with an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, there is generally a piston which is guided in a cylinder bore and which is high
Druckdifferenz ausgesetzt ist. Der in der Zylinderbohrung geführte Kolben dient entweder der Förderung des in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffs, wie im Falle einer Einspritzpumpe, oder im Falle eines Einspritzventils dazu, unter Beaufschlagung durch den unter hohem Druck zugeführten einzuspritzenden Kraftstoff das Einspritzventil zu öffnen, typischerweise indem der Kolben eine damit gekoppelte oder materialeinstückig damit ausgebildete Düsennadel aus dem Ventilsitz eines Nadelventils abhebt und damit einen Einspritzquerschnitt zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine freigibt.Pressure difference is exposed. The piston guided in the cylinder bore either serves to deliver the fuel to be injected into the combustion chamber of the internal combustion engine, as in the case of an injection pump, or in the case of an injection valve to open the injection valve under the action of the fuel to be injected under high pressure, typically by the Piston lifts a nozzle needle coupled to it or made in one piece with it from the valve seat of a needle valve and thus releases an injection cross section for injecting the fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
Bei einer derartigen Hochdruck-Kolbenzylindereinheit besteht der Umstand, daß wegen letztlich nicht vermeidbarer Fertigungstoleranzen eine Deaxierung des Kolbens in der Zylinderbohrung auftritt, was zur Folge hat, daß die Druckverteilung über dem Kolbenumfang wegen sich über dem Kolbenumfang unterschiedlich einstellenden Spaltweiten nicht gleichmäßig ist, und sich daraus eine resultierende Radialkraft ergibt, die in Richtung der Deaxierung wirkt. Die dadurch bedingte einseitige Anpressung des Kolbens in seiner Führung führt zu Verschleiß in der Anlagefläche.In such a high-pressure piston-cylinder unit, there is the fact that, due to ultimately unavoidable manufacturing tolerances, the piston is deaxed in the cylinder bore, with the result that the pressure distribution over the piston circumference is not uniform due to gap widths which vary over the piston circumference, and resulting in a radial force that acts in the direction of deaxing. The resulting one-sided pressing of the piston in its guide leads to wear in the contact surface.
Im Falle eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems, bei welchem der einzuspritzende Kraftstoff unter hohem Druck in einem Speicher vorgehalten und über einen permanent von dem unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagten Kraftstoffinjektor in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, ist die Verschleißgefahr besonders hoch. Bei permanent wirkenden hohen Drücken kommt nämlich beanspruchungserschwerend hinzu, daß die aus den Druckkräften resultierenden Radialkräfte während der gesamten Hubphase in voller Höhe wirken, anders als bei einem konventionellen Einspritzsystem, bei dem der Hub jedenfalls zum Teil noch in der Druckaufbauphase, also bei gegenüber dem maximalen Einspritzdruck erniedrigten Drücken erfolgt. Dadurch, daß der zur Betätigung des Einspritzventils eines Common-Rail- Kraftstoffinjektors dienende Kolben, der typischerweise mit der Ventilnadel des Einspritzventils gekoppelt oder mit dieser materialeinstückig ausgebildet ist, dem anstehenden hohen Kraftstoffdruck permanent ausgesetzt ist, entsteht bei einer Deaxierung der Düsennadelführung zum Düsennadelsitz bzw. des Kolbens in der Zylinderbohrung eine permanente, über dem Kolbenumfang unsymmetrische Leckströmung. Ferner wirken aufgrund der hohen Drücke hohe, die Deaxierung verstärkende Radialkräfte, die während der gesamten Hubphase vorhanden sind, also insbesondere auch schon zu Beginn der Hubphase. Diese Radialkräfte können zum Anlaufen oder Anreiben und zu starkem Verschleiß der Düsennadel in der Düsennadelführung bzw. des Kolbens in der Zylinderbohrung führen.In the case of a common rail fuel injection system, in which the fuel to be injected is held in a memory under high pressure and is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine via a fuel injector which is permanently pressurized by the high pressure fuel, the risk of wear is particularly high. In the case of permanently acting high pressures, the stresses are exacerbated by the fact that the radial forces resulting from the compressive forces act in full during the entire stroke phase, unlike in a conventional injection system, in which the stroke is still partly in the pressure build-up phase, i.e. compared to the maximum Injection pressure is reduced. As a result of the fact that the piston serving to actuate the injection valve of a common rail fuel injector, which is typically coupled to the valve needle of the injection valve or embodied in one piece with the material, is permanently exposed to the high fuel pressure, the nozzle needle guide to the nozzle needle seat or of the piston in the cylinder bore has a permanent leakage flow that is asymmetrical over the piston circumference. Furthermore, due to the high pressures, there are high radial forces which increase the deaxing and which are present during the entire lifting phase, in particular even at the beginning of the lifting phase. These radial forces can lead to starting or rubbing and excessive wear of the nozzle needle in the nozzle needle guide or the piston in the cylinder bore.
Aus der DE 38 24467 C2 ist ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem die Ventilnadel zweiteilig durch eine Hohlnadel und eine in einer Innenbohrung der Hohlnadel geführte Ventilnadel gebildet ist. Die Hohlnadel weist im Bereich ihrer Spitze eine Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten auf, welche in Längsrichtung der Ventilnadel um einen Abstand von ungefähr der Größenordnung des Durchmessers der Ventilnadel beabstandet sind und eine Breite und Tiefe aufweisen, die etwa einem Zehntel des Ventilnadeldurchmessers entsprechen.From DE 38 24467 C2 an injection valve for an internal combustion engine is known, in which the valve needle is formed in two parts by a hollow needle and a valve needle guided in an inner bore of the hollow needle. The hollow needle has in the area of its tip a number of grooves running in the circumferential direction, which in the longitudinal direction of the valve needle by a distance of approximately the order of magnitude Diameter of the valve needle are spaced and have a width and depth that correspond to about a tenth of the valve needle diameter.
Weiterhin ist aus MTZ 55 (1994) 9, Seite 502, Spalte 3 und Seite 511, Spalte 1 die Verwendung von Titan-Nitrit-Beschichtungen für die Kolben vonFurthermore, MTZ 55 (1994) 9, page 502, column 3 and page 511, column 1 describes the use of titanium nitride coatings for the pistons of
Kraftstoffeinspritzpumpen für Dieselgroßmotoren bekannt, um das „Festfressen" des Kolbens zu verhindern.Fuel injection pumps for large diesel engines are known to prevent "seizing" of the piston.
Aus der EP 0 565 742 AI sind Verfahren zur Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen, insbesondere von Wandungen der Bohrungen im Zylinder eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen in der Oberfläche durch Strahlbehandlung, insbesondere mittels eines Lasers nach einem vorgegebenen Muster angeordnete Riefen erzeugt werden, welche als Schmiermittelreservoir dienen sollen.EP 0 565 742 A1 discloses methods for the fine machining of workpiece surfaces, in particular walls of the bores in the cylinder of an internal combustion engine, in which grooves are produced in the surface by beam treatment, in particular by means of a laser, according to a predetermined pattern, which serve as a lubricant reservoir should.
Schließlich ist aus der EP 0419 999 B 1 ein Verfahren zur Bearbeitung von durch Reibung hochbeanspruchten Flächen in Brennkraftmaschinen, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Kolbenmotoren bekannt, bei dem die Fläche gehont und zusätzlich einer Laserstrahlbehandlung unterzogen wird, wobei die Laserbehandlung zum Abdampfen von herausragenden Rauhigkeitsspitzen oder Verschuppungen dient, um eine glattere Oberfläche zu erreichen.Finally, EP 0419 999 B1 discloses a method for machining surfaces which are highly stressed by friction in internal combustion engines, in particular the cylinder running surfaces of piston engines, in which the surface is honed and additionally subjected to laser beam treatment, the laser treatment for evaporation of outstanding roughness peaks or scaling serves to achieve a smoother surface.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochdruck-Kolbenzylindereinheit, insbesondere für eine Einspritzpumpe oder ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei welcher eine geringere Gefahr des Verschleißes eines in einer Zylinderbohrung geführten Kolbens durch Deaxierung besteht.The object of the invention is to provide a high-pressure piston-cylinder unit, in particular for an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, in which there is less risk of wear of a piston guided in a cylinder bore due to deaxing.
Weiterhin soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Hochdruckeinheit angegeben werden. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Hochdruck- Kolbenzylindereinheit bzw. durch das in den Ansprüchen angegebene Verfahren zur Herstellung einer solchen gelöst, wobei jeweilige vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angegeben sind.The invention is also intended to provide a method for producing such a high-pressure unit. This object is achieved by the high-pressure piston-cylinder unit specified in the claims or by the method for producing such specified in the claims, the respective advantageous embodiments being specified in the subclaims.
Durch die Erfindung wird eine Hochdruck-Kolbenzylindereinheit, insbesondere eine Einspritzpumpe oder ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine hohe Hubzyklenzahl geschaffen, bei der ein in einer Zylinderbohrung geführter Kolben auf einer Seite einem hohen Druck und damit einer hohen Druckdifferenz ausgesetzt ist, wobei erfindungsgemäß zumindest in einem Teil der Führungsfläche des Kolbens in einem geringen Abstand zueinander verlaufende feine Rillen ausgebildet sind.The invention provides a high-pressure piston-cylinder unit, in particular an injection pump or an injection valve for an internal combustion engine, in particular for a high number of strokes, in which a piston guided in a cylinder bore is exposed to a high pressure and thus a high pressure difference on one side, according to the invention At least in a part of the guide surface of the piston, fine grooves running at a short distance from one another are formed.
Ein Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Führungsfläche des Kolbens besteht darin, daß durch die Rillen ein hydraulischer Druckausgleich am Umfang der Führung erfolgt und damit das einseitige Anliegen des Kolbens in der Zylinderbohrung verhindert oder zumindest die Anpresskräfte herabgesetzt werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß die Leckströmung nach zentrischer Ausrichtung des Kolbens in Längsrichtung der Führungsfläche des Kolbens verringert und damit der hydraulische Wirkungsgrad der Einheit verbessert wird. Eine Verminderung der Leckströmung kommt aber auch schon allein dadurch zustande, daß die quer zur Richtung der Leckströmung verlaufenden Rillen wie eine Labyrinthdichtung wirken. Als weiterer Vorteil ist zu sehen, daß das in den Rillen anwesende Fluid die Anlageflächen benetzt, wodurch ein Schmierungseffekt erzielt wird.An advantage of the guide surface of the piston designed according to the invention is that the grooves provide a hydraulic pressure equalization on the circumference of the guide and thus prevent the piston from resting on one side in the cylinder bore or at least reduce the contact forces. A further advantage is that the leakage flow is reduced after the piston is centered in the longitudinal direction of the guide surface of the piston, and the hydraulic efficiency of the unit is thus improved. A reduction in the leakage flow is also achieved solely because the grooves running transversely to the direction of the leakage flow act like a labyrinth seal. A further advantage can be seen that the fluid present in the grooves wets the contact surfaces, whereby a lubrication effect is achieved.
Die in der Führungsfläche ausgebildeten Rillen weisen vorteilhafterweise eine Breite b von zwischen 5 bis 100 μm, vorzugsweise zwischen 10 bis 40 μm auf.The grooves formed in the guide surface advantageously have a width b of between 5 and 100 μm, preferably between 10 and 40 μm.
Die Tiefe t der Rillen beträgt vorteilhafterweise zwischen 3 bis 50 μm, vorzugsweise zwischen 10 bis 30 μm. Der Abstand a der Rillen beträgt vorteilhafterweise zwischen 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,3 mm.The depth t of the grooves is advantageously between 3 to 50 μm, preferably between 10 to 30 μm. The distance a of the grooves is advantageously between 0.05 to 1 mm, preferably between 0.1 to 0.5 mm, preferably between 0.1 to 0.3 mm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die Breite b einer Rille im wesentlichen deren Tiefe t.According to an advantageous embodiment, the width b of a groove essentially corresponds to its depth t.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das Verhältnis der Tiefe t der Rille zum Nenndurchmesser D der Führungsfläche zwischen 1/200 und 1/1000 beträgt.It is also advantageous if the ratio of the depth t of the groove to the nominal diameter D of the guide surface is between 1/200 and 1/1000.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rillen in Umfangsrichtung der Führungsfläche verlaufend ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the grooves are designed to run in the circumferential direction of the guide surface.
Gemäß einer Weiterbildung hiervon können die Rillen mit in Längsrichtung der Führungsfläche variierendem Abstand a ausgebildet sein.According to a development of this, the grooves can be formed with a distance a varying in the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Rillen in Längsrichtung der Führungsfläche verlaufend ausgebildet sind.According to another embodiment of the invention, it is provided that the grooves are designed to run in the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Rillen unter einem Winkel zur Längsrichtung der Fuhrungsflache verlaufend ausgebildet sind.According to another embodiment of the invention, it is provided that the grooves are formed at an angle to the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß einer Weiterbildung hiervon können die Rillen eine in Längsrichtung der Führungsfläche variierende Steigung aufweisen.According to a development of this, the grooves can have a gradient which varies in the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß einer anderen, herstellungstechnisch sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Rillen durch eine Schraubenlinie gebildet sind.According to another embodiment of the invention that is very advantageous in terms of production technology, it is provided that the grooves are formed by a helical line.
Dies kann dadurch weitergebildet sein, daß die Schraubenlinie mehrgängig ist. Die Schraubenlinie kann eine in Längsrichtung der Fuhrungsflache variierende Steigung haben.This can be further developed in that the helix is multi-start. The helix can have a gradient that varies in the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß noch einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Rillen unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsrichtung der Führungsfläche kreuzweise verlaufend ausgebildet sind.According to yet another embodiment of the invention, it is provided that the grooves are designed to run crosswise at different angles to the longitudinal direction of the guide surface.
Dies kann dadurch weitergebildet sein, daß die Rillen mit in Längsrichtung der Führungsfläche variierender Steigung ausgebildet sind.This can be further developed in that the grooves are designed with a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface.
Bei den vorgenannten Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, den Abstand a der Rillen in Längsrichtung der Führungsfläche so vorzusehen, daß er im wesentlichen dem Betriebshub des Kolbens in der Zylinderbohrung entspricht.In the aforementioned embodiments, it can be advantageous to provide the distance a of the grooves in the longitudinal direction of the guide surface so that it corresponds essentially to the operating stroke of the piston in the cylinder bore.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können mehrere der vorgenannten Muster zur Bildung der Rillen kombiniert werden.According to a further embodiment of the invention, several of the aforementioned patterns can be combined to form the grooves.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Rillen in einem an die Seite hohen Drucks des Kolbens anschließenden Bereich der Führungsfläche ausgebildet sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the grooves are formed in a region of the guide surface which adjoins the high pressure of the piston.
Alternativ hierzu können die Rillen über den gesamten Bereich der Führungsfläche ausgebildet sein.Alternatively, the grooves can be formed over the entire area of the guide surface.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rillen in der als Führungsfläche dienenden Mantelfläche des Kolbens ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the grooves are formed in the lateral surface of the piston which serves as a guide surface.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann es vorgesehen sein, die Rillen in der als Führungsfläche dienenden Zylinderbohrung vorzusehen. Von besonderem Wert ist die Erfindung bei einer Hochdruck- Kolbenzylindereinheit, die Bestandteil eines Kraftstoffinjektors eines Common-Rail-Einspritzsystems ist, bei dem der Kolben zur Betätigung des Einspritzventils des Kraftstoffinjektors dient, und wobei die Druckdifferenz permanent an dem Kolben anliegt. Bei einem solchen permanent vom Kraftstoffdruck beaufschlagten Bauteil kann eine ständige Deaxierung, also von Anfang der Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung an auftreten, weshalb durch die Erfindung hier mit besonderem Vorteil eine wesentliche Verschleißminderung erreicht werden kann.Alternatively or additionally, provision can be made for the grooves to be provided in the cylinder bore serving as a guide surface. The invention is of particular value in the case of a high-pressure piston-cylinder unit which is part of a fuel injector of a common rail injection system in which the piston serves to actuate the injection valve of the fuel injector, and the pressure difference is permanently applied to the piston. In the case of such a component which is permanently acted upon by the fuel pressure, constant deaxing can occur, that is to say from the beginning of the movement of the piston in the cylinder bore, which is why the invention can be used to achieve a significant reduction in wear with particular advantage.
Bei einer solchen, als Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems dienendenIn such a, serving as part of a common rail injection system
Hochdruckeinheit ist der Kolben vorteilhafterweise materialeinstückig an der Düsennadel des Einspritzventils ausgebildet, wobei der Kolben eine Schulter aufweist, die permanent vom Kraftstoffdruck des Common-Rail-Einspritzsystems beaufschlagt ist.High-pressure unit, the piston is advantageously made of one piece of material on the nozzle needle of the injection valve, the piston having a shoulder which is permanently acted upon by the fuel pressure of the common rail injection system.
Vorteilhafterweise sind erfindungsgemäß die Rillen an der sich an die vom Kraftstoffdruck beaufschlagte Schulter anschließenden, als Führungsfläche dienenden Mantelfläche des Kolbens ausgebildet.According to the invention, the grooves are advantageously formed on the lateral surface of the piston which adjoins the shoulder acted upon by the fuel pressure and serves as a guide surface.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckeinheit der Erfindung sieht es vor, daß die Rillen durch spanende Bearbeitung, beispielsweise Feindrehen erzeugt werden.The method according to the invention for producing a high-pressure unit of the invention provides that the grooves are produced by machining, for example fine turning.
Ein alternatives Verfahren, welches von besonderem Vorteil ist, sieht es vor, die Rillen durch Strahlbearbeitung zu erzeugen.An alternative method, which is of particular advantage, provides for the grooves to be produced by beam machining.
Eine solche Strahlbearbeitung erfolgt vorteilhafterweise insbesondere durch Lasergravur.Such beam processing is advantageously carried out in particular by laser engraving.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es vor, daß, nachdem das Erzeugen der Rillen erfolgt ist, ein Läppen oder Feinschleifen der 8An advantageous development of the method according to the invention provides that, after the grooves have been produced, lapping or fine grinding of the 8th
Fuhrungsflache vorgenommen wird. Dem Erzeugen der Rillen kann aber auch eine Feinbearbeitung der Führungsfläche vorgeschaltet sein.Leadership area is made. However, the grooves can also be preceded by a fine machining of the guide surface.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. Show it:
Figur 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Einspritzventils einesFigure 1 is a partially sectioned side view of the injector
Kraftstoffinjektors eines Common-Rail-Einspritzsystems, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist, wobei der Ausschnitt A vergrößert die in der Führungsfläche eines Kolbens des Einspritzventils vorgesehenen feinen Rillen zeigt;Fuel injector of a common rail injection system, which is designed according to an exemplary embodiment of the invention, the section A enlarged showing the fine grooves provided in the guide surface of a piston of the injection valve;
Figur 2 eine vergrößerte Ansicht der Düsennadel des Einspritzventils des in Figur 1 gezeigten Kraftstoffinjektors;FIG. 2 shows an enlarged view of the nozzle needle of the injection valve of the fuel injector shown in FIG. 1;
Figur 3 einen stark vergrößerten Querschnitt durch die an der Führungsfläche des Kolbens der in Figur 2 gezeigten Düsennadel ausgebildeten feinen Rillen; und3 shows a greatly enlarged cross section through the fine grooves formed on the guide surface of the piston of the nozzle needle shown in FIG. 2; and
Figur 4 eine Figur 2 entsprechende Ansicht der Düsennadel des Einspritzventils mit vier Ausführungsbeispielen a) bis d) der Anordnung der Rillen an der alsFigure 4 is a view corresponding to Figure 2 of the nozzle needle of the injection valve with four embodiments a) to d) the arrangement of the grooves on the as
Führungsfläche dienenden Mantelfläche des Düsennadelkolbens.Guiding surface serving outer surface of the nozzle needle piston.
Figur 5 eine stark vergrößerte Ansicht der Führungsfläche des Kolbens mit als Schraubengewinde ausgebildeten Rillen.Figure 5 is a greatly enlarged view of the guide surface of the piston with grooves designed as a screw thread.
Figur 1 zeigt eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, der Einspritzdüse eines Kraftstoffinjektors für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem. Die mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Einspritzdüse verfügt über ein Nadelgehäuse 2, in welcher eine Zylinderbohrung 3 vorgesehen ist. In dieser Zylinderbohrung 3 ist ein Kolben 5 geführt, der materialeinstückig mit einer Düsennadel 4 ausgebildet ist. Die Düsennadel 4 verfügt über eine Nadelspitze 8, welche mit einem Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Im Bereich des Ventilsitzes 9 ist ein Einspritzquerschnitt 11 in Form von Einspritzöff ungen ausgebildet. Am Übergang von dem Kolben 5 zu der Düsennadel 4 ist eine Schulter 6 ausgebildet, welche im Bereich eines im Nadelgehäuse eingeformten Ringraums 12 liegt, in welchen ein Kraftstoffkanal 7 mündet. Der Kraftstof kanal 7 führt zu einem Hochdruckspeicher des Common-Rail-Systems, in welchem einzuspritzender Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten wird. Zur Steuerung der Einspritzdüse 1 verfügt der Kraftstoffinjektor über ein in der Figur 1 nicht dargestelltes Betätigungselement elektromechanischer oder hydraulischer Art, wie es an sich wohlbekannt ist, durch welches der Kolben 5 im Sinne einer Bewegung nach oben freigegeben wird, so daß der in dem Ringraum 12 auf die Schulter 6 des Kolbens 5 wirkende Kraftstoffdruck ein Anheben der Düsennadel 4 und damit der Nadelspitze 8 aus dem Ventilsitz 9 und somit eine Freigabe des Einspritzquerschnitts 11 bewirkt.FIG. 1 shows a view, partly in cross section, of the injection nozzle of a fuel injector for a common rail fuel injection system. The injection nozzle designated by reference number 1 has a needle housing 2, in which a cylinder bore 3 is provided. A piston 5 is located in this cylinder bore 3 performed, which is integrally formed with a nozzle needle 4. The nozzle needle 4 has a needle tip 8 which interacts with a valve seat 9. In the region of the valve seat 9, an injection cross section 11 is formed in the form of injection openings. At the transition from the piston 5 to the nozzle needle 4, a shoulder 6 is formed, which lies in the area of an annular space 12 formed in the needle housing, into which a fuel channel 7 opens. The fuel channel 7 leads to a high-pressure accumulator of the common rail system, in which fuel to be injected is held under high pressure. To control the injection nozzle 1, the fuel injector has an electromechanical or hydraulic actuating element, not shown in FIG. 1, as is well known per se, by means of which the piston 5 is released in the sense of an upward movement, so that the piston in the annular space 12 fuel pressure acting on the shoulder 6 of the piston 5 causes the nozzle needle 4 and thus the needle tip 8 to be lifted out of the valve seat 9 and thus releases the injection cross section 11.
Wie in dem mit A bezeichneten vergrößerten Ausschnitt zu sehen ist, sind in der Mantelfläche des Kolbens 5 in einem geringen Abstand zueinander verlaufende feine Rillen 10 ausgebildet. Diese Rillen 10 bewirken einerseits einen hydraulischen Druckausgleich über dem Umfang des Kolbens 5 in der durch die Zylinderbohrung 3 gebildeten Führung und verhindern damit eine einseitige Anlage des Kolbens 5 aufgrund des von dem Ringraum 12 her in den Spalt zwischen der Mantelfläche des Kolbens 5 und der Zylinderbohrung 3 eintretenden, unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs bei Deaxierung der Düsennadelführung. Gleichzeitig wird eine unsymmetrische und somit verstärkte Leckströmung in Längsrichtung der Führung zwischen der Mantelfläche des Kolbens 5 und der Zylinderbohrung 3 verringert und somit der hydraulische Wirkungsgrad des Kraftstoffinjektors verbessert.As can be seen in the enlarged section labeled A, fine grooves 10 are formed in the lateral surface of the piston 5 at a short distance from one another. These grooves 10 on the one hand bring about a hydraulic pressure compensation over the circumference of the piston 5 in the guide formed by the cylinder bore 3 and thus prevent the piston 5 from one-sided contact due to the annular space 12 in the gap between the outer surface of the piston 5 and the cylinder bore 3 entering fuel under high pressure when the nozzle needle guide is deaxed. At the same time, an asymmetrical and thus increased leakage flow in the longitudinal direction of the guide between the outer surface of the piston 5 and the cylinder bore 3 is reduced, and thus the hydraulic efficiency of the fuel injector is improved.
In Figur 2 ist die materialeinstückig mit dem Kolben 5 vorgesehene Düsennadel 4 vergrößert dargestellt. Der Kolben 5 hat einen Nenndurchmesser D, welcher bei dem 10 dargestellten Ausführungsbeispiel 6,8 Millimeter beträgt. Von der Schulter 6 und damit von der von dem unter hohem Druck in dem Ringraum 12 befindlichen Kraftstoff beaufschlagten Seite des Kolbens 5 her sind über eine Länge 1 die Rillen 10 in Umfangsrichtung verlaufend an der Mantelfläche des Kolbens 5 ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt diese Länge 1, über welche die Rillen 10 vorgesehen sind, zirka 22 mm.In Figure 2, the nozzle needle 4 provided in one piece with the piston 5 is shown enlarged. The piston 5 has a nominal diameter D, which at the 10 illustrated embodiment is 6.8 millimeters. From the shoulder 6 and thus from the side of the piston 5 acted upon by the fuel under high pressure in the annular space 12, the grooves 10 are formed over a length 1 in the circumferential direction on the lateral surface of the piston 5. In the illustrated embodiment, this length 1, over which the grooves 10 are provided, is approximately 22 mm.
In Figur 3 ist ein stark vergrößerter Querschnitt durch die Oberfläche des Mantels des Kolbens 5 dargestellt, welcher zwei Rillen 10 zeigt. Der Querschnitt der Rillen 10 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine im wesentlichen dreieckige Form. Die Breite b einer Rille beträgt beispielsweise 5 bis 100 μm, vorzugsweise zwischen 10 bis 40 μm. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Rillenbreite b 30 μm. Die Rillentiefe t kann 3 bis 50 μm, vorzugsweise zwischen 10 bis 30 μm betragen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe 1 15 μm. Der Abstand a zwischen zwei Rillen kann zwischen 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,3 mm betragen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand a 0,2 mm.FIG. 3 shows a greatly enlarged cross section through the surface of the jacket of the piston 5, which shows two grooves 10. The cross section of the grooves 10 has a substantially triangular shape in the illustrated embodiment. The width b of a groove is, for example, 5 to 100 μm, preferably between 10 to 40 μm. In the illustrated embodiment, the groove width b is 30 μm. The groove depth t can be 3 to 50 μm, preferably between 10 to 30 μm. In the exemplary embodiment shown, the depth is 15 μm. The distance a between two grooves can be between 0.05 to 1 mm, preferably between 0.1 to 0.5 mm, preferably between 0.1 to 0.3 mm. In the illustrated embodiment, the distance a is 0.2 mm.
Das Verhältnis der Tiefe t der Rille 10 zum Nenndurchmesser D der Führungsfläche bzw. des Kolbens 5 beträgt erfindungsgemäß vorteilhafterweise zwischen 1/200 und 1/1000. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das genannte Verhältnis rund 1/450, was sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat.The ratio of the depth t of the groove 10 to the nominal diameter D of the guide surface or of the piston 5 is advantageously between 1/200 and 1/1000. In the illustrated embodiment, the ratio mentioned is around 1/450, which has proven to be particularly advantageous.
Der Querschnitt der Rillen 10 kann anstelle einer dreieckigen Form auch andere Formen annehmen, beispielsweise eine halbrunde Form.The cross section of the grooves 10 can take other forms instead of a triangular shape, for example a semicircular shape.
Figur 4 zeigt nochmals eine Darstellung entsprechend Figur 2 und Beispiele a) bis d) der Strukturierung der Mantelfläche des Kolbens 5. 11FIG. 4 again shows a representation corresponding to FIG. 2 and examples a) to d) of the structuring of the outer surface of the piston 5. 11
Gemäß dem Beispiel von Figur 4a) sind die Rillen 10 in Umfangsrichtung des Kolbens 5 ausgebildet, wie in der Seitenansicht darüber und auch in Figur 2 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Rillen in Längsrichtung mit einem gleichen Abstand a ausgebildet, alternativ dazu können die Rillen 10 auch mit einem in Längsrichtung der Führungsfläche variierenden Abstand a ausgebildet sein.According to the example in FIG. 4a), the grooves 10 are formed in the circumferential direction of the piston 5, as shown in the side view above and also in FIG. In the exemplary embodiment, the grooves are formed with the same distance a in the longitudinal direction, alternatively the grooves 10 can also be formed with a distance a varying in the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur b) sind die Rillen 10 in Längsrichtung der Fuhrungsflache verlaufend ausgebildet.According to the exemplary embodiment in FIG. B), the grooves 10 are designed to run in the longitudinal direction of the guide surface.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 4c) sind die Rillen 10 unter einem Winkel zu Längsrichtung der Führungsfläche verlaufend ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Rillen 10 alle eine gleiche Steigung. Alternativ hierzu können die Rillen 10 auch mit einer in Längsrichtung der Führungsfläche variierenden Steigung vorgesehen sein.According to the exemplary embodiment in FIG. 4c), the grooves 10 are designed to run at an angle to the longitudinal direction of the guide surface. In the illustrated embodiment, the grooves 10 all have the same slope. Alternatively, the grooves 10 can also be provided with an incline that varies in the longitudinal direction of the guide surface.
Als Grenzfall der Anordnung der Rillen 10 in Umfangsrichtung wie in Figur 4a) und der Anordnung der Rillen unter einem Winkel zur Längsrichtung wie in Figur 4c), können die Rillen 10 durch eine Schraubenlinie gebildet sein. Ein Ausschnitt der Führungsfläche mit als Schraubengewinde 22 ausgebildeten Rillen ist in Figur 5 dargestellt. Die Führungsfläche ist eine zylindrische Kolbenmantelfläche, die von den Gewindegängen des Schraubengewindes 22 unterteilt ist. Die Steigung des Schraubengewindes 22 ist mit s angegeben. Das Schraubengewinde oder die Schraubenlinie kann eingängig oder auch mehrgängig ausgebildet sein. Die Schraubenlinie kann eine in Längsrichtung der Führungsfläche konstante Steigung oder alternativ dazu eine in Längsrichtung der Führungsfläche variierende Steigung haben. Die Ausbildung der Rillen als Schraubenlinie ist herstellungstechnisch besonders vorteilhaft.As a borderline case of the arrangement of the grooves 10 in the circumferential direction as in FIG. 4a) and the arrangement of the grooves at an angle to the longitudinal direction as in FIG. 4c), the grooves 10 can be formed by a helical line. A section of the guide surface with grooves formed as a screw thread 22 is shown in FIG. 5. The guide surface is a cylindrical piston surface which is divided by the threads of the screw thread 22. The pitch of the screw thread 22 is indicated by s. The screw thread or the screw line can be single-start or multi-start. The helix may have a constant gradient in the longitudinal direction of the guide surface or, alternatively, a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface. The formation of the grooves as a helix is particularly advantageous in terms of production technology.
Gemäß Figur 4d) können die Rillen 10 unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsrichtung der Führungsfläche kreuzweise verlaufend ausgebildet sein, wobei die Winkel 12 entgegengesetzt, aber betragsmäßig gleich oder auch betragsmäßig verschieden sein können. Während bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Steigung der Rillen 10 in Längsrichtung der Führungsfläche gleich ist, können die Rillen 10 alternativ dazu auch mit in Längsrichtung der Fuhrungsflache variierender Steigung ausgebildet sein.According to FIG. 4d), the grooves 10 can be designed to run crosswise at different angles to the longitudinal direction of the guide surface, the angles 12 opposite, but may be the same in amount or different in amount. While in the illustrated embodiment the slope of the grooves 10 in the longitudinal direction of the guide surface is the same, the grooves 10 can alternatively also be formed with a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface.
Die Strukturierungsmuster gemäß Figur 4a) bis 4d) sind Grundmuster, abweichende Muster sind jedoch auch möglich. Weiterhin können mehrere Muster gemäß der unter Bezugnahme auf die Figuren 4a) bis 4d) beschriebenen Art kombiniert werden.The structuring patterns according to FIGS. 4a) to 4d) are basic patterns, but different patterns are also possible. Furthermore, several patterns can be combined in accordance with the type described with reference to FIGS. 4a) to 4d).
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Abstand a der Rillen 10 in Längsrichtung der Führungsfläche so gewählt, daß er im wesentlichen dem Betriebshub des Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 3 entspricht. Dies hat den vorteilhaften Effekt, daß die verbleibende Führungsfläche am Mantel des Kolbens 5 zwischen den Rillen 10 sich ständig auf benetzten Oberflächen der Führung bewegt und damit ein Trockenlaufen der Führung weitgehend unmöglich gemacht wird. Bei einem eingängigen Gewinde entspricht der Abstand a zwischen den Rillen 10 dann der Gewindesteigung.According to a special embodiment of the invention, the distance a of the grooves 10 in the longitudinal direction of the guide surface is selected so that it essentially corresponds to the operating stroke of the piston 5 in the cylinder bore 3. This has the advantageous effect that the remaining guide surface on the jacket of the piston 5 between the grooves 10 is constantly moving on wetted surfaces of the guide, thus largely preventing the guide from running dry. In the case of a single-start thread, the distance a between the grooves 10 then corresponds to the thread pitch.
Bei den anhand der Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispielen sind die Rillen 10 in der Mantelfläche des Kolbens 5 in deren Funktion als Führungsfläche ausgebildet. Alternativ oder gegebenenfalls zusätzlich dazu können die Rillen 10 auch in der Zylinderbohrung 3 als Führungsfläche ausgebildet sein.In the exemplary embodiments illustrated with reference to FIGS. 1 to 4, the grooves 10 are formed in the outer surface of the piston 5 in their function as a guide surface. Alternatively or optionally in addition, the grooves 10 can also be formed in the cylinder bore 3 as a guide surface.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Anwendungsfall eines Einspritzventils für einen Common- Rail-Kraftstoffeinspritzinjektor liegt der von dem Vorspeicher vorgehaltene Kraftstoffdruck über den Kraftstoffkanal 7 und den Ringraum 12 permanent an der Schulter 6 des Kolbens 5 an, so daß der Kolben 5 permanent einer einseitigen Druckdifferenz ausgesetzt ist. Hierbei kommt der Vorteil des durch die Rillen 10 bewirkten hydraulischen Druckausgleichs und der Verringerung der Leckströmung besonders zum Tragen. Jedoch auch im Falle anderer Hochdruck-Kolbenzylindereinheiten, bei denen ein 13In the application of an injection valve for a common rail fuel injection injector shown in FIG. 1, the fuel pressure held by the storage tank is permanently applied to the shoulder 6 of the piston 5 via the fuel channel 7 and the annular space 12, so that the piston 5 permanently has a one-sided pressure difference is exposed. Here, the advantage of the hydraulic pressure equalization caused by the grooves 10 and the reduction of the leakage flow particularly come into play. However, also in the case of other high-pressure piston-cylinder units in which one 13
Kolben einseitig einer hohen Druckdifferenz ausgesetzt ist, wie es insbesondere bei sonstigen Einspritzventilen und bei Einspritzpumpen für Brennkraftmaschinen der Fall ist, führt die Erfindung zu einem entsprechenden Vorteil.The piston is exposed to a high pressure difference on one side, as is the case in particular with other injection valves and injection pumps for internal combustion engines, the invention leads to a corresponding advantage.
Die Rillen 10 in der Führungsfläche des Kolbens, also in der Mantelfläche des Kolbens 5 oder in der Fläche der Zylinderbohrung 3 können durch spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen, Feindrehen, Schleifen oder Fräsen erzeugt werden. Alternativ dazu können die Rillen, insbesondere an der Mantelfläche des Kolbens 5 durch Strahlbearbeitung erzeugt werden, wobei insbesondere das Verfahren der Lasergravur vorteilhaft ist. Das Erzeugen der Rillen 10 erfolgt nach dem Feinbearbeiten (Schleifen) der Führungsfläche. Nach dem Erzeugen der Rillen 10 wird noch ein Läppen oder Feinschleifen der Führungsfläche vorgenommen, um die endgültige Oberfläche der Führungsfläche herzustellen. Eine Feinbearbeitung der Führungsfläche vor dem Erzeugen der Rillen kann auch entfallen, wenn eine ausreichende Maßhaltigkeit durch geeignete Fertigungsmaßnahmen gewährleistet werden kann. The grooves 10 in the guide surface of the piston, that is to say in the outer surface of the piston 5 or in the surface of the cylinder bore 3, can be produced by machining, for example by turning, precision turning, grinding or milling. As an alternative to this, the grooves, in particular on the lateral surface of the piston 5, can be produced by beam machining, the method of laser engraving being particularly advantageous. The grooves 10 are produced after the finishing (grinding) of the guide surface. After the grooves 10 have been produced, the guide surface is lapped or ground to produce the final surface of the guide surface. A fine machining of the guide surface before creating the grooves can also be omitted if adequate dimensional accuracy can be ensured by suitable manufacturing measures.
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BezugszeichenlisteReference list
Einspritzdüse NadelgehäuseInjector needle housing
Zylinderbohrung DüsennadelNozzle needle cylinder bore
Kolbenpiston
Schultershoulder
KraftstoffkanalFuel channel
NadelspitzeNeedle point
VentilsitzValve seat
Rillegroove
EinspritzquerschnittInjection cross section
RingraumAnnulus
Schraubengewinde Screw thread

Claims

15PATENTANSPRÜCHE 15 PATENT REQUIREMENTS
1. Hochdruck-Kolbenzylindereinheit, insbesondere Einspritzpumpe oder Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für hohe Hubzyklenzahlen, mit einem in einer Zylinderbohrung (3) geführten und mit einem Betätigungselement gekoppelten Kolben (5), der einer hohen Druckdifferenz ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem Teil der Führungsfläche des Kolbens (5) in einem geringen Abstand zueinander verlaufende feine Rillen (10) ausgebildet sind.1.High-pressure piston-cylinder unit, in particular injection pump or injection valve for an internal combustion engine, in particular for high number of strokes, with a piston (5) guided in a cylinder bore (3) and coupled to an actuating element, which is exposed to a high pressure difference, characterized in that at least In some of the guide surface of the piston (5) there are fine grooves (10) running a short distance apart.
2. Hochdruckeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) eine Breite b von zwischen 5 bis 100 μm, vorzugsweise zwischen 10 bis 40 μm aufweisen.2. High-pressure unit according to claim 1, characterized in that the grooves (10) have a width b of between 5 to 100 microns, preferably between 10 to 40 microns.
3. Hochdruckeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) eine Tiefe t von zwischen 3 bis 50 μm, vorzugsweise zwischen 10 bis 30 μm aufweisen.3. High pressure unit according to claim 1 or 2, characterized in that the grooves (10) have a depth t of between 3 to 50 microns, preferably between 10 to 30 microns.
4. Hochdruckeinheit nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) einen Abstand a von zwischen 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0, 1 bis 0,3 mm aufweisen.4. High-pressure unit according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the grooves (10) a distance a of between 0.05 to 1 mm, preferably between 0.1 to 0.5 mm, preferably between 0.1 and 0 , 3 mm.
5. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite b einer Rille (10) im wesentlichen deren Tiefe t entspricht. 165. High-pressure unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the width b of a groove (10) corresponds substantially to the depth t. 16
6. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Tiefe t der Rille (10) zum Nenndruckmesser D der Führungsfläche zwischen 1/200 und 1/1000 beträgt.6. High-pressure unit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ratio of the depth t of the groove (10) to the nominal pressure meter D of the guide surface is between 1/200 and 1/1000.
7. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) in Umfangsrichtung der Führungsfläche verlaufend ausgebildet sind.7. High-pressure unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the grooves (10) are formed extending in the circumferential direction of the guide surface.
8. Hochdruckeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) mit in Längsrichtung der Führungsfläche variierendem Abstand a ausgebildet sind.8. High-pressure unit according to claim 7, characterized in that the grooves (10) are formed with a distance a varying in the longitudinal direction of the guide surface.
9. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) in Längsrichtung der Führungsfläche verlaufend ausgebildet sind.9. High-pressure unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the grooves (10) are designed to extend in the longitudinal direction of the guide surface.
10. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) unter einem Winkel zur Längsrichtung der Führungsfläche verlaufend ausgebildet sind.10. High-pressure unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the grooves (10) are formed at an angle to the longitudinal direction of the guide surface.
11. Hochdruckeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) eine in Längsrichtung der Führungsfläche variierende Steigung aufweisen.11. High-pressure unit according to claim 10, characterized in that the grooves (10) have a varying gradient in the longitudinal direction of the guide surface.
12. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) durch eine links- oder rechtsdrehende Schraubenlinie gebildet sind.12. High-pressure unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the grooves (10) are formed by a left-hand or right-hand helix.
13. Hochdruckeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie mehrgängig ist.13. High-pressure unit according to claim 12, characterized in that the helical line is multi-start.
14. Hochdruckeinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie eine in Längsrichtung der Führungsfläche variierende Steigung hat. 1714. High-pressure unit according to claim 12 or 13, characterized in that the helix has a varying gradient in the longitudinal direction of the guide surface. 17
15. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Rillen (10) unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsrichtung der Führungsfläche kreuzweise verlaufend ausgebildet sind.15. High-pressure unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that grooves (10) are formed crosswise at different angles to the longitudinal direction of the guide surface.
16. Hochdruckeinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen ( 10) mit in Längsrichtung der Führungsfläche variierender Steigung ausgebildet sind.16. High-pressure unit according to claim 15, characterized in that the grooves (10) are formed with a gradient varying in the longitudinal direction of the guide surface.
17. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a der Rillen (10) in Längsrichtung der Führungsfläche im wesentlichen dem Betriebshub des Kolbens (5) in der Zylinderbohrung (3) entspricht.17. High-pressure unit according to one of claims 7 to 16, characterized in that the distance a of the grooves (10) in the longitudinal direction of the guide surface corresponds essentially to the operating stroke of the piston (5) in the cylinder bore (3).
18. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) unter Kombination mehrerer Muster nach den Ansprüchen 7 bis 16 ausgebildet sind.18. High-pressure unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the grooves (10) are formed by combining several patterns according to claims 7 to 16.
19. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) in einem an die Seite hohen Drucks des Kolbens (5) anschließenden Bereich der Führungsfläche ausgebildet sind.19. High-pressure unit according to one of claims 1 to 18, characterized in that the grooves (10) are formed in a region of the guide surface adjoining the high pressure of the piston (5).
20. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) über den gesamten Bereich der Führungsfläche ausgebildet sind.20. High-pressure unit according to one of claims 1 to 18, characterized in that the grooves (10) are formed over the entire area of the guide surface.
21. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) in der Mantelfläche des Kolbens (5) als Führungsfläche ausgebildet sind.21. High-pressure unit according to one of claims 1 to 20, characterized in that the grooves (10) in the outer surface of the piston (5) are designed as a guide surface.
22. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) in der Zylinderbohrung (3) als Führungsfläche ausgebildet sind. 1822. High-pressure unit according to one of claims 1 to 21, characterized in that the grooves (10) in the cylinder bore (3) are designed as a guide surface. 18th
23. Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck-Kolbenzylindereinheit Bestandteil eines Kraftstoffinjektors eines Common- Rail-Einspritzsystems ist, bei dem der Kolben (5) zur Betätigung des Einspritzventils des Kraftstoffinjektors dient, und wobei die Druckdifferenz permanent an dem Kolben (5) anliegt.23. High-pressure unit according to one of claims 1 to 22, characterized in that the high-pressure piston-cylinder unit is part of a fuel injector of a common rail injection system, in which the piston (5) is used to actuate the injection valve of the fuel injector, and wherein the pressure difference is permanent abuts the piston (5).
24. Hochdruckeinheit nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) materialeinstückig an der Düsennadel (4) des Einspritzventils ausgebildet ist, wobei der Kolben (5) eine Schulter (6) aufweist, die permanent vom Kraftstoffdruck des Common- Rail-Einspritzsystems beaufschlagt ist.24. High-pressure unit according to claim 23, characterized in that the piston (5) is integrally formed on the nozzle needle (4) of the injection valve, the piston (5) having a shoulder (6) which is permanently from the fuel pressure of the common rail Injection system is acted upon.
25. Hochdruckeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) an der sich an die vom Kraftstoffdruck beaufschlagte Schulter (6) anschließenden, als Führungsfläche dienenden Mantelfläche des Kolbens (5) ausgebildet sind.25. High-pressure unit according to claim 24, characterized in that the grooves (10) on the adjoining the shoulder (6) acted upon by the fuel pressure, which serve as a guide surface of the piston (5) are formed.
26. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) durch spanende Bearbeitung, insbesondere Drehen, Feindrehen, Schleifen oder Fräsen erzeugt werden.26. A method for producing a high-pressure unit according to one of claims 1 to 25, characterized in that the grooves (10) are produced by machining, in particular turning, fine turning, grinding or milling.
27. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) durch Strahlbearbeitung, insbesondere Laserstrahl oder Elektronenstrahl erzeugt werden.27. A method for producing a high-pressure unit according to one of claims 1 to 25, characterized in that the grooves (10) are produced by beam processing, in particular laser beam or electron beam.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (10) durch Lasergravur erzeugt werden.28. The method according to claim 27, characterized in that the grooves (10) are produced by laser engraving.
29. Verfahren nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß nachdem das Erzeugen der Rillen (10) erfolgt ist, ein Läppen oder Feinschleifen der Führungsfläche vorgenommen wird. 1929. The method according to claim 26, 27 or 28, characterized in that after the grooves (10) have been produced, lapping or fine grinding of the guide surface is carried out. 19
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß dem Erzeugen der Rillen (10) eine Feinbearbeitung der Führungsfläche vorgeschaltet ist. 30. The method according to claim 29, characterized in that the creation of the grooves (10) is preceded by a fine machining of the guide surface.
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