EP1799994B1 - Kraftstoffinjektor mit formgeprägtem ventilsitz zur reduzierung der ankerhubdrift - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit formgeprägtem ventilsitz zur reduzierung der ankerhubdrift Download PDF

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EP1799994B1
EP1799994B1 EP05804893A EP05804893A EP1799994B1 EP 1799994 B1 EP1799994 B1 EP 1799994B1 EP 05804893 A EP05804893 A EP 05804893A EP 05804893 A EP05804893 A EP 05804893A EP 1799994 B1 EP1799994 B1 EP 1799994B1
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EP
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valve seat
valve
fuel injector
closing element
closing
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Markus Rueckle
Axel Schnaufer
Joachim Leicht
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M63/0033—Lift valves, i.e. having a valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat
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    • F02M63/007—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of the groups F02M63/0014 - F02M63/0059
    • F02M63/0077—Valve seat details

Definitions

  • the fuel is supplied to the individual combustion chambers of the internal combustion engine via fuel injectors with hydraulically actuated nozzle needle.
  • a valve is received in the fuel injector, which is driven, for example, electromagnetically or by means of a piezoelectric actuator.
  • an outlet throttle of a control chamber which communicates with the nozzle needle, released or closed.
  • a method for producing a fuel injector with a control valve which opens or closes a drain from a control chamber through a valve seat placed in a closing element, wherein the valve seat is formed by stamping with an embossing die.
  • an injector for a fuel injection system is known. Through the injector, a control chamber is released or closed, which has an outlet throttle in a drain.
  • a valve piece is received in the housing of the fuel injector, in which an outlet throttle is formed, which is in communication with a control chamber.
  • the outlet throttle is released or closed by a closing element.
  • a conical valve seat is formed in the valve piece, in which the outlet throttle opens.
  • a spherical closing element is placed in the conical valve seat.
  • the closing element of the control valve is placed at high speed in his seat or lifted from this.
  • This constant switching of the closing element leads to wear of the valve seat.
  • This wear results in a Ankerhubdrift. That is, the path the closing element travels to close the drainage restrictor increases due to wear.
  • the increased stroke of the closing element causes the stroke of the magnet armature is also increased in a solenoid-controlled valve or the Aktorhub in a piezoelectric actuator. This results in larger opening and closing times of the control valve and thus longer opening times of Einspritzöf Anlagen, which in turn results in higher injection quantities.
  • These larger injection quantities of fuel into the combustion chambers of the internal combustion engine lead to higher engine emissions and higher combustion noise.
  • the embossing die according to the invention is designed in the form of a sphere with tangentially grown truncated cone.
  • the truncated cone has an opening angle which is greater than or equal to the opening angle of the cone-shaped valve seat. This avoids that material, which is displaced by the embossing, forms an elevation at the side of the embossing point facing the outlet throttle. This increase leads to a stronger throttling of the fuel flow when the valve is open. As a result, the fuel volume flow flowing out of the control chamber is reduced and the opening speed of the injection openings is likewise reduced.
  • the stamp is preferably provided with a surface which consists of a hard metal.
  • the entire die is made of a hard metal.
  • Carbides known to the person skilled in the art are, for example, sintered materials of tungsten carbide, titanium carbide, tantalum carbide, molybdenum carbide and cobalt.
  • the hard metal preferably has a hardness in the range of 1300-1800 HV30.
  • valve seat is formed by stamping
  • valve seat of the control valve is conical.
  • the preferred closing element for closing or releasing the cone-shaped valve seat is spherical
  • valve seat is formed in a valve piece, which is accommodated in the housing of the fuel injector
  • FIG. 1 shows a fuel injector for a high-pressure accumulator injection system.
  • a fuel injector 1 comprises an injector body 2, in which a valve piston 3 is guided.
  • the valve piston 3 acts with a front side 4 on a pressure pin 5, which is formed on a nozzle needle 6.
  • the valve piston 3 exerts a pressure force on the pressure pin 5 of the nozzle needle 6 with its end face 4.
  • the nozzle needle 6 is placed in a seat 8 and so closed the at least one injection opening 7.
  • a compression spring spring element 9 acts on the nozzle needle 6.
  • the spring element 9 designed as a compression spring is preferably a spiral spring.
  • the spring element 9 is received in a valve chamber 10.
  • the spring element 9 acts with one side on a stepped extension 11 of the nozzle needle 6 and with the other side against an end face 12 of the valve chamber 10th
  • connection piece 13 which is connected to a high-pressure accumulator, not shown here.
  • a fuel filter 14 is received, in which the fuel is cleaned by particles contained therein to avoid damage due to abrasion in the fuel injector 1.
  • the fuel filter 14 is followed by a channel 15, via which the fuel passes into a nozzle chamber 16. From the nozzle chamber 16, the fuel flows via an annular gap 17 to the injection port 7.
  • valve piston 3 ends in a control chamber 18.
  • the control chamber 18 is supplied with fuel via an inlet throttle 19.
  • the inlet throttle 19 also adjoins the fuel filter 14, so that there is also system pressure on the inflow side of the inlet throttle 19.
  • From the control chamber 18, the fuel passes through an outlet throttle 20 in a low-pressure side discharge nozzle 21, which is connected, for example, with a fuel tank, not shown here.
  • the outlet throttle 20 can be closed or released by a ball-shaped closing element 22 here.
  • the actuation of the closing element 22 takes place in the embodiment variant shown here via an electrically controlled solenoid valve 23.
  • a piezoelectric actuator possibly with the interposition of a hydraulic coupler or a pressure booster could be used to actuate the closing element 22.
  • a valve member 24 is inserted into the injector body 2, in which the control chamber 18 including inlet throttle 19 and outlet throttle 20 is formed. Furthermore, in the valve piece 24, a bore 25 is executed, in which the valve piston 3 is guided
  • Figure 1.1 shows the detail A from FIG. 1 .
  • Figure 1.1 shows the valve piston 3 in its upper position, that is, with an open injection port 7.
  • the outlet throttle 20 is closed.
  • the closing element 22 is placed in a valve seat 26.
  • the closing element 22, the outlet throttle 20 closes pressure-tight, the valve seat 26 is formed in a conically shaped end face 32 of the valve member 24.
  • the outlet throttle 20 opens to the closing element 22 in the form of a cone.
  • the pressure in the control chamber 18 also rises again to system pressure. Due to the increasing pressure in the control chamber 18, the pressure force acting on the valve piston 3 increases and the valve piston 3 is moved in the direction of the at least one injection opening 7. Since the valve piston 3 is in communication with the pressure pin 5 of the nozzle needle 6 via the end face 4, the nozzle needle 6 is likewise moved in the direction of the at least one injection opening 7 and closes it.
  • the closing element 22 is connected via a piston 29 to an armature of the solenoid valve 23.
  • a piezoelectric actuator instead of the solenoid valve 23 of the piezoelectric actuator acts directly on the piston 29th
  • the valve seat 26 is formed in the fuel injector according to the invention.
  • embossing the Hertzian surface pressure is reduced by an increase in the bearing ratio. This means that the contact surface of the closing element 22 on the valve seat 26 is increased by the stamping. Due to the reduced surface pressure, a lower force acts on the valve seat 26, whereby its wear is reduced.
  • Another advantage of the form-stamping of the valve seat 26 is that the material is solidified in the embossing area. The material hardening results in a further reduction of wear. Also roughness peaks that arise due to production, smoothed
  • valve seat 26 By stamping the valve seat 26, the seat wear is anticipated, thus minimizing wear between the valve seat 26 and the closure member 22 during operation. As a result, the increase in the pilot injection quantity due to the increased during operation of the fuel injector armature stroke can be largely prevented. Increasing injection quantities during operation of the internal combustion engine lead to increased emission of the internal combustion engine, to an increase in the combustion noise and to a greater load on the entire internal combustion engine.
  • an embossing die made of a hard metal is used, which is designed in the form of the closing element 22.
  • FIG. 2 shows a valve seat, in which an embossing stamp is placed.
  • valve seat 26 If such a survey forms during the stamping of the valve seat 26, the flow cross-section is reduced when the valve is open.
  • the valve thus acts as a throttle, whereby the fuel flow rate flowing from the outlet throttle 20 is reduced.
  • Such a reduced fuel volume flow leads to a slower pressure reduction in the control chamber 18 and thus also to a reduced opening speed of the nozzle needle 6. This also results in a changed injection behavior, which can adversely affect the combustion process in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the truncated cone 31 preferably has an opening angle ⁇ 1 , which is greater than the opening angle ⁇ 2 of the valve seat 26. At the same opening angle ⁇ 1 of the truncated cone 31 and opening angle ⁇ 2 of the valve seat 26, it is possible that a part of the material in the stamping in Direction of the outlet throttle 20 is pressed. In this case, a burr forms at the transition from the valve seat 26 into the outlet throttle 20, at which the opening angle changes. This burr leads to a negative influence on the fuel flow.
  • the opening angle ⁇ 1 is greater by 0 to 10 degrees than the opening angle ⁇ 2 of the valve seat 26.
  • a larger opening angle ⁇ 1 of the truncated cone 31 causes the embossing point in the region of the valve seat 26 on the side of the truncated cone 31 forms a survey, which acts as an additional throttle for the fuel flow.
  • valve seat 26 Even with non-spherical closing element 22, wear on the valve seat 26 can be reduced by shaping the shape of the valve seat 26.
  • the closing element 22 may be formed next to the spherical shape, for example also in the form of a paraboloid or a cylinder.
  • the embossing stamp 30 In addition to the truncated cone 31, it is also possible for the embossing stamp 30 to end in the form of a cone whose point angle is greater than or equal to the opening angle ⁇ 2 of the valve seat 26.
  • Suitable material for the die is any material which is harder than the material from which the valve seat 26 is made.
  • Particularly suitable as material for the Embossing dies 30 are, for example, hard metals selected from the group of hard metals K 01 - K 40. Depending on the composition, the hardness of these hard metals is 1300-1800 HV 30.
  • the hard metals are sintered materials of tungsten carbide, titanium carbide, tantalum carbide, molybdenum carbide and cobalt.
  • pressure-resistant ceramics for example, which are harder than the material from which the valve seat 26 is made, are also suitable.
  • FIG. 3 shows a contour plot of a cone-shaped valve seat according to the prior art.
  • the length of the conically shaped end face 32 of the valve member 24 is shown in mm, in which the valve seat 26 is formed.
  • the ordinate 34 shows the surface roughness in ⁇ m.
  • the line designated by reference numeral 35 shows the surface of the conically shaped end face of the valve piece 24 before the closing element 22 is placed in the valve seat 26 for a first time. It can already be clearly seen here that the surface of the end face 32 of the valve piece 24 has a production-related roughness.
  • the million-time switching of the closing element 22 leads to wear in the valve seat 26. By the closing element 22 creates a recess 36 in the region of the valve seat 26.
  • the recess 36 has a depth of wear 37, which is significantly greater than the average surface roughness of the end face 32 of Valve piece 24. Due to the very small opening or closing paths of the closing element 22, the wear depth 37 leads to a significantly longer closing path for closing the control valve. This also leads to a slower closing of the injection opening 7 and thus to a larger amount of fuel which is injected into the combustion chamber. This leads to higher engine emissions and higher combustion noise
  • FIG. 4 shows a Konturthan a conically shaped valve seat, in which the valve seat is molded with a spherical die
  • FIG. 4 can be seen that the surface 35 is significantly smoother before the first closing of the control valve when the valve seat 26 is embossed.
  • the embossing depth in which the valve seat 26 is embossed is designated by reference numeral 39. Due to the spherical embossing punch the form-stamped valve seat 26 has the cross section of a circle segment. As a result, an elevation 40 forms toward the outlet throttle 20. The survey 40 leads when the outlet throttle 20 is open, that the flow area is reduced. For this reason, the valve seat 26 acts when the outlet throttle 20 is open as an additional throttle.
  • the material is solidified in the region of the valve seat 26.
  • This material consolidation as well as the larger contact surface of the closing element 22 in the valve seat 26 cause a recess 36 to form a recess 36 with a comparison to the non-embossed valve seat 26 only a small closing depth 37 even after a large number of opening and closing movements of the closing element 22.
  • FIG. 5 shows the end face 32 of the valve member 24 with molded therein valve seat 26 when a spherical die is used, in which tangentially from the ball a truncated cone grows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors (1) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuerventil, das eine Ablaufdrossel (20) aus einem Steuerraum (18) freigibt oder verschließt, wobei zum Verschließen der Ablaufdrossel (20) ein Schließelement (22) in einen Ventilsitz (26) gestellt wird. Der Schließsitz (26) wird durch Formprägen mit einem Prägestempel (30) ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kraftstoffinjektor, der durch das Verfahren hergestellt wird.

Description

    Technisches Gebiet
  • Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung wird der Kraftstoff den einzelnen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine über Kraftstoffinjektoren mit hydraulisch betätigter Düsennadel zugeführt. Hierzu ist im Kraftstoffinjektor ein Ventil aufgenommen, welches zum Beispiel elektromagnetisch oder mittels eines Piezoaktors angesteuert wird. Durch das Ventil wird eine Ablaufdrossel eines Steuerraumes, der mit der Düsennadel in Verbindung steht, freigegeben oder verschlossen.
    • Stand der Technik
  • Aus der DE 103 01 698 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors mit einem Steuerventil bekannt, das einen Ablauf aus einem Steuerraum durch ein in einen Ventilsitz gestelltes Schließelement freigibt oder verschließt, wobei der Ventilsitz durch Formprägen mit einem Prägestempel ausgebildet wird. Aus der US 2003/020039 und der US 5 694 903 A ist jeweils ein Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt. Durch den Injektor wird ein Steuerraum freigegeben oder verschlossen, der in einem Ablauf eine Ablaufdrossel aufweist.
  • Bei Kraftstoffinjektoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist im Gehäuse des Kraftstoffinjektors ein Ventilstück aufgenommen, in welchem eine Ablaufdrossel ausgebildet ist, die mit einem Steuerraum in Verbindung steht. Die Ablaufdrossel wird durch ein Schließelement freigegeben oder verschlossen. Hierzu ist im Ventilstück ein kegelförmiger Ventilsitz ausgebildet, in welchen die Ablaufdrossel mündet. Zum Verschließen der Ablaufdrossel wird in den kegelförmigen Ventilsitz ein kugelförmiges Schließelement gestellt.
  • Um die für den Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine erforderlichen hohen Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten des Kraftstoffinjektors zu erreichen, wird das Schließelement des Steuerventils mit hoher Geschwindigkeit in seinen Sitz gestellt oder aus diesem gehoben. Dieses ständige Schalten des Schließelements führt zu einem Verschleiß des Ventilsitzes. Aus diesem Verschleiß resultiert eine Ankerhubdrift. Das heißt, dass sich der Weg, den das Schließelement zum Verschließen der Ablaufdrossel zurücklegt, aufgrund des Verschleißes vergrößert. Der vergrößerte Hubweg des Schließelementes führt dazu, dass auch der Hubweg des Magnetankers bei einem magnetgesteuerten Ventil beziehungsweise der Aktorhub bei einem Piezoaktor vergrößert wird. Hieraus resultieren größere Öffnungs- und Schließzeiten des Steuerventils und damit längere Öffnungszeiten der Einspritzöfffnung, woraus wiederum höhere Einspritzmengen resultieren. Diese größeren Einspritzmengen an Kraftstoff in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine führen zu höheren Motoremissionen und höheren Verbrennungsgeräuschen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Zur Verringerung des Verschleißes des Ventilsitzes und damit zur Reduktion der Ankerhubdrift wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuerventil, das eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum freigibt oder verschließt, und bei dem zum Verschließen der Ablaufdrossel ein Schließelement in einen Ventilsitz gestellt wird, der Ventilsitz durch Formprägen mit einem Prägestempel ausgebildet. Hierdurch wird vermieden, dass der Ventilsitz während des Betriebes des Kraftstoffinjektors plastisch verschleißt.
  • Bei Verwendung eines kugelförmigen Schließelementes, welches in einen kegelförmigen Ventilsitz gestellt wird, ist der Prägestempel erfindungsgemäß in Form einer Kugel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Kegelstumpf einen Öffnungswinkel auf, der größer oder gleich dem Öffnungswinkel des kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes ist Hierdurch wird vermieden, dass Material, welches durch das Prägen verdrängt wird, an der der Ablaufdrossel zugewandten Seite der Prägestelle eine Erhöhung bildet. Diese Erhöhung führt bei geöffnetem Ventil zu einer stärkeren Drosselung des Kraftstoffstroms. Dies führt dazu, dass der aus dem Steuerraum ausströmende Kraftstoffvolumenstrom reduziert wird und so die Öffnungsgeschwindigkeit der Einspritzöffnungen ebenfalls verringert wird.
  • Damit beim Formprägen des Ventilsitzes nicht der Prägestempel, sondern der Ventilsitz verformt wird, ist der Prägestempel vorzugsweise mit einer Oberfläche versehen, die aus einem Hartmetall besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der gesamte Prägestempel aus einem Hartmetall. Dem Fachmann bekannte Hartmetalle sind zum Beispiel Sinterwerkstoffe aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Molybdäncarbid und Cobalt. Das Hartmetall weist vorzugsweise eine Härte im Bereich von 1300-1800 HV30 auf.
  • Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuerventil, das eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum freigibt oder verschließt, wobei zum Verschließen der Ablaufdrossel ein Schließelement in einen Ventilsitz gestellt wird, ist der Ventilsitz durch Formprägen ausgebildet
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitz des Steuerventils kegelförmig ausgebildet. Das bevorzugte Schließelement zum Verschließen oder Freigeben des kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes ist kugelförmig ausgebildet
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Ventilsitz in einem Ventilstück ausgebildet, welches im Gehäuse des Kraftstoffinjektors aufgenommen ist
    • Zeichnung
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
  • Darin zeigt:
    • Figur 1
    Einen Kraftstoffinjektor für ein Hochdruckspeichereinspritzsystem,
    Figur 1.1
    Einzelheit A aus Figur 1,
    Figur 2
    einen kegelförmig ausgebildeten Ventilsitz, auf welchen ein Prägestempel wirkt,
    Figur 3
    einen Konturschrieb eines kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes nach dem Stand der Technik,
    Figur 4
    einen Konturschrieb eines kegelförmig ausgebildeten, formgeprägten Ventilsitzes in einer ersten Ausführungsform,
    Figur 5
    einen Konturschrieb eines kegelförmig ausgebildeten, formgeprägten Ventilsitzes in einer zweiten Ausführungsform
    Ausführungsvarianten
  • Figur 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor für ein Hochdruckspeichereinspritzsystem.
  • Ein Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2, in welchem ein Ventilkolben 3 geführt ist. Der Ventilkolben 3 wirkt mit einer Stirnseite 4 auf einen Druckbolzen 5, welcher an einer Düsennadel 6 ausgebildet ist. Auf der einem hier nicht dargestellten Brennraum zugewandten Seite ist im Injektorkörper 2 mindestens eine Einspritzöffnung 7 ausgebildet. Bei verschlossener Einspritzöffnung 7 übt der Ventilkolben 3 mit seiner Stirnseite 4 eine Druckkraft auf den Druckbolzen 5 der Düsennadel 6 aus. Hierdurch wird die Düsennadel 6 in einen Sitz 8 gestellt und so die mindestens eine Einspritzöffnung 7 verschlossen. Zusätzlich zur Druckkraft des Ventilkolbens 3 auf den Druckbolzen 5 wirkt ein als Druckfeder ausgebildetes Federelement 9 auf die Düsennadel 6. Das als Druckfeder ausgebildete Federelement 9 ist vorzugsweise eine Spiralfeder. Diese umschließt in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform den Druckbolzen 5 der Düsennadel 6 und den der Düsennadel 6 zugewandten Teil des Ventilkolbens 3. Hierzu ist das Federelement 9 in einem Ventilraum 10 aufgenommen. Das Federelement 9 wirkt mit einer Seite auf eine stufenförmige Erweiterung 11 der Düsennadel 6 und mit der anderen Seite gegen eine Stirnseite 12 des Ventilraumes 10.
  • Die Kraftstoffversorgung des Kraftstoffinjektors 1 erfolgt über einen Anschlussstutzen 13, der mit einem hier nicht dargestellten Hochdruckspeicher verbunden ist. Im Anschlussstutzen 13 ist ein Kraftstofffilter 14 aufgenommen, in welchem der Kraftstoff von darin enthaltenen Partikeln gereinigt wird, um Beschädigungen durch Abrieb im Kraftstoffinjektor 1 zu vermeiden. An den Kraftstofffilter 14 schließt sich ein Kanal 15 an, über welchen der Kraftstoff in einen Düsenraum 16 gelangt. Vom Düsenraum 16 strömt der Kraftstoff über einen Ringspalt 17 zur Einspritzöffnung 7.
  • An der der Düsennadel 6 abgewandten Seite endet der Ventilkolben 3 in einem Steuerraum 18. Der Steuerraum 18 wird über eine Zulaufdrossel 19 mit Kraftstoff versorgt. Die Zulaufdrossel 19 schließt sich ebenfalls dem Kraftstofffilter 14 an, so dass auf der Anströmseite der Zulaufdrossel 19 ebenfalls Systemdruck herrscht. Aus dem Steuerraum 18 gelangt der Kraftstoff über eine Ablaufdrossel 20 in einen niederdruckseitigen Ablaufstutzen 21, der zum Beispiel mit einem hier nicht dargestellten Kraftstoffvorratsbehälter verbunden ist.
  • Die Ablaufdrossel 20 lässt sich durch ein hier kugelförmig ausgebildetes Schließelement 22 verschließen oder freigeben.
  • Bei verschlossener Ablaufdrossel 20 herrschen im Steuerraum 18, im Ventilraum 10 und im Düsenraum 16 Systemdruck. Aufgrund der größeren Fläche der Stirnseite, die den Steuerraum 18 begrenzt, als der in entgegengesetzter Richtung weisenden Flächen des Ventilkolbens 3, ist die Druckkraft, die in Richtung der mindestens einen Einspritzdüse 7 wirkt, größer als die in der entgegengesetzte Richtung wirkende Druckkraft und die Düsennadel 6 wird in ihren Sitz 8 gestellt und verschließt so die mindestens eine Einspritzöffnung 7. Sobald sich das Schließelement 22 aus seinem Sitz hebt und so die Ablaufdrossel 20 freigibt, sinkt der Druck im Steuerraum 18 ab. Hierdurch nimmt ebenfalls die in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7 wirkende Druckkraft ab. Der Ventilkolben 3 bewegt sich in Richtung der Ablaufdrossel 20. Gleichzeitig hebt sich die Düsennadel 6 aus ihrem Sitz und gibt die mindestens eine Einspritzöffnung 7 frei.
  • Die Ansteuerung des Schließelementes 22 erfolgt bei der hier dargestellten Ausführungsvariante über ein elektrisch gesteuertes Magnetventil 23. Anstelle des Magnetventils 23 könnte zur Betätigung des Schließelementes 22 jedoch auch ein Piezoaktor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines hydraulischen Kopplers oder eines Druckübersetzers zum Einsatz gelangen.
  • Zur Erleichterung der Fertigung und Montage des Kraftstoffinjektors 1 wird in den Injektorkörper 2 ein Ventilstück 24 eingesetzt, in welchem der Steuerraum 18 samt Zulaufdrossel 19 und Ablaufdrossel 20 ausgebildet ist. Weiterhin ist im Ventilstück 24 eine Bohrung 25 ausgeführt, in welcher der Ventilkolben 3 geführt ist
  • Figur 1.1 zeigt die Einzelheit A aus Figur 1.
  • Figur 1.1 zeigt den Ventilkolben 3 in seiner oberen Position, das heißt, bei geöffneter Einspritzöffnung 7. Zum Verschließen der Einspritzöffnung 7 wird die Ablaufdrossel 20 verschlossen. Hierzu wird das Schließelement 22 in einen Ventilsitz 26 gestellt. Damit das Schließelement 22 die Ablaufdrossel 20 druckdicht verschließt, ist der Ventilsitz 26 in einer kegelförmig ausgebildeten Stirnseite 32 des Ventilstücks 24 ausgebildet. In der hier dargestellten Ausführungsform öffnet sich dazu die Ablaufdrossel 20 kegelförmig zum Schließelement 22 hin. Durch Verschließen der Ablaufdrossel 20 wird die Verbindung zum Niederdruckteil des Kraftstoffsystems unterbrochen. Über die Zulaufdrossel 19, die über einen Ringraum 27 und einen Zulaufkanal 28 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist, wird der Steuerraum 18 mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Hierdurch steigt der Druck im Steuerraum 18 ebenfalls wieder auf Systemdruck an. Aufgrund des steigenden Drucks im Steuerraum 18 nimmt die auf den Ventilkolben 3 wirkende Druckkraft zu und der Ventilkolben 3 wird in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7 bewegt. Da der Ventilkolben 3 über die Stirnseite 4 mit dem Druckbolzen 5 der Düsennadel 6 in Verbindung steht, wird die Düsennadel 6 ebenfalls in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 7 bewegt und verschließt diese.
  • Das Schließelement 22 ist über einen Kolben 29 mit einem Anker des Magnetventils 23 verbunden. Bei Verwendung eines Piezoaktors anstelle des Magnetventils 23 wirkt der Piezoaktor direkt auf den Kolben 29.
  • Um zu vermeiden, dass sich der Ventilsitz aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, mit denen das Schließelement 22 in diesen gestellt wird, verschleißt, woraus ein größerer Ankerhub und damit eine größerer Schließzeit resultiert, wird der Ventilsitz 26 bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor formgeprägt. Durch das Formprägen wird die Hertz'sche Flächenpressung durch eine Erhöhung des Traganteiles reduziert. Das heißt, dass durch das Formprägen die Auflagefläche des Schließelementes 22 auf dem Ventilsitz 26 vergrößert wird. Durch die reduzierte Flächenpressung wirkt eine geringere Kraft auf den Ventilsitz 26, wodurch auch dessen Verschleiß reduziert wird. Ein weiterer Vorteil des Formprägens des Ventilsitzes 26 ist, dass das Material im Prägebereich verfestigt wird. Aus der Materialverfestigung resultiert eine weitere Reduzierung des Verschleißes. Auch werden Rauigkeitsspitzen, die fertigungsbedingt entstehen, geglättet
  • Durch das Formprägen des Ventilsitzes 26 wird der Sitzverschleiß vorweggenommen und so der Verschleiß zwischen dem Ventilsitz 26 und dem Schließelement 22 während des Betriebes minimiert. Hierdurch kann die Zunahme der Voreinspritzmenge aufgrund der während des Betriebes des Kraftstoffinjektors erhöhten Ankerhubes weitgehend unterbunden werden. Steigende Einspritzmengen während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine führen zu erhöhter Emission der Verbrennungskraftmaschine, zu einer Erhöhung des Verbrennungsgeräusches und zu einer stärkeren Belastung der gesamten Verbrennungskraftmaschine.
  • Zum Formprägen des Ventilsitzes 26 wird zum Beispiel ein Prägestempel aus einem Hartmetall eingesetzt, welcher in Form des Schließelementes 22 ausgebildet ist.
  • Figur 2 zeigt einen Ventilsitz, in welchen ein Prägestempel gestellt ist.
  • Um zu vermeiden, dass sich auf der der Ablaufdrossel 20 zugewandten Seite des Ventilsitzes 26 beim Formprägen eine Erhebung ausbildet, ist bei einem Ventil mit kugelförmigem Schließelement 22 und kegelförmigem Ventilsitz 26 der Prägestempel 30 in Form einer Kugel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf 31 ausgebildet. Durch den Kegelstumpf 31 wird verhindert, dass sich eine Erhebung entlang der Kugelform ausbildet, indem das Material durch die Form des Kegelstumpfes 31 entlang der Richtung des ebenfalls kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes 26 geprägt wird.
  • Wenn sich eine solche Erhebung beim Formprägen des Ventilsitzes 26 ausbildet, wird der Durchflussquerschnitt bei geöffnetem Ventil verkleinert. Das Ventil wirkt so als Drossel, wodurch der Kraftstoffvolumenstrom, der aus der Ablaufdrossel 20 strömt, reduziert wird. Ein derart reduzierter Kraftstoffvolumenstrom führt zu einer langsameren Druckabsenkung im Steuerraum 18 und damit auch zu einer reduzierten Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6. Hieraus resultiert weiterhin ein verändertes Einspritzverhalten, was den Verbrennungsverlauf im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen kann.
  • Der Kegelstumpf 31 weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel α1 auf, der größer ist als der Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26. Bei gleichem Öffnungswinkel α1 des Kegelstumpfes 31 und Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26 ist es möglich, dass ein Teil des Materials beim Formprägen in Richtung der Ablaufdrossel 20 gepresst wird. In diesem Fall bildet sich ein Grat am Übergang vom Ventilsitz 26 in die Ablaufdrossel 20 aus, an dem sich der Öffnungswinkel ändert. Dieser Grat führt zu einer negativen Beeinflussung der Kraftstoffströmung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Öffnungswinkel α1 um 0 bis 10 Grad größer als der Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26. Ein größerer Öffnungswinkel α1 des Kegelstumpfes 31 führt dazu, dass sich an der Prägestelle im Bereich des Ventilsitzes 26 auf der Seite des Kegelstumpfes 31 eine Erhebung ausbildet, die als zusätzliche Drossel für die Kraftstoffströmung wirkt.
  • Auch bei nicht kugelförmigem Schließelement 22 kann ein Verschleiß am Ventilsitz 26 durch Formprägen des Ventilsitzes 26 vermindert werden. Um bei kegelförmigem Ventilsitz 26 zu vermeiden, dass sich im Bereich des Ventilsitzes 26 eine Erhebung ausbildet, ist auch bei nicht kugelförmigem Schließelement 22 der Prägestempel 30, der in Form des Schließelementes 22 ausgebildet ist, vorzugsweise mit einem Kegelstumpf 31 versehen, dessen Öffnungswinkel α1 größer ist als der Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26. So kann bei kegelförmigem Ventilsitz 26 das Schließelement 22 neben der Kugelform zum Beispiel auch in Form eines Paraboloiden oder eines Zylinders ausgebildet sein.
  • Neben dem Kegelstumpf 31 ist es auch möglich, dass der Prägestempel 30 in Form eines Kegels endet, dessen Spitzenwinkel größer oder gleich dem Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26 ist.
  • Als Material für den Prägestempel eignet sich jedes Material, welches härter ist als das Material, aus welchem der Ventilsitz 26 gefertigt ist. Besonders geeignet als Material für den Prägestempel 30 sind zum Beispiel Hartmetalle, die aus der Gruppe der Hartmetall K 01 - K 40 ausgewählt sind. Die Härte dieser Hartmetalle beträgt je nach Zusammensetzung 1300-1800 HV 30. Die Hartmetalle sind dabei Sinterwerkstoffe aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Molybdäncarbid und Kobalt. Neben den Hartmetallen eignen sich zum Beispiel auch druckfeste Keramiken, die härter sind als das Material aus dem der Ventilsitz 26 gefertigt ist.
  • Figur 3 zeigt einen Konturschrieb eines kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes nach dem Stand der Technik.
  • Auf der Abszisse 33 des in Figur 3 dargestellten Diagramms ist die Länge der kegelförmig ausgebildeten Stirnseite 32 des Ventilstücks 24 in mm dargestellt, in welcher der Ventilsitz 26 ausgebildet ist. Die Ordinate 34 zeigt die Oberflächenrauhigkeit in µm. Die mit Bezugszeichen 35 bezeichnete Linie zeigt die Oberfläche der kegelförmig ausgebildeten Stirnseite des Ventilstücks 24, bevor das Schließelement 22 ein erstes Mal in den Ventilsitz 26 gestellt wird. Es ist bereits hier deutlich zu erkennen, dass die Oberfläche der Stirnseite 32 des Ventilstückes 24 eine fertigungsbedingte Rauhigkeit aufweist. Das millionenmalige Schalten des Schließelementes 22 führt zu einem Verschleiß im Ventilsitz 26. Durch das Schließelement 22 entsteht eine Vertiefung 36 im Bereich des Ventilsitzes 26. Die Vertiefung 36 weist eine Verschleißtiefe 37 auf, die deutlich größer ist, als die mittlere Oberflächenrauhigkeit der Stirnseite 32 des Ventilstücks 24. Aufgrund der nur sehr kleinen Öffnungs- beziehungsweise Schließwege des Schließelementes 22 führt die Verschleißtiefe 37 zu einem deutlich verlängerten Schließweg zum Verschließen des Steuerventils. Dies führt ebenfalls zu einem langsameren Verschließen der Einspritzöffnung 7 und damit zu einer größeren Kraftstoffmenge, die in den Brennraum eingespritzt wird. Dies führt zu höheren Motoremissionen und höheren Verbrennungsgeräuschen
  • Figur 4 zeigt einen Konturschrieb eines kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes, in welchem der Ventilsitz mit einem kugelförmigen Prägestempel formgeprägt ist
  • Figur 4 ist entnehmbar, dass die Oberfläche 35 vor dem ersten Schließen des Steuerventiles deutlich glatter ist, wenn der Ventilsitz 26 geprägt wird. Die Prägetiefe, in der der Ventilsitz 26 geprägt wird, ist mit Bezugszeichen 39 bezeichnet. Aufgrund des kugelförmigen Prägestempels hat der formgeprägte Ventilsitz 26 den Querschnitt eines Kreissegmentes. Dies führt dazu, dass sich zur Ablaufdrossel 20 hin eine Erhebung 40 ausbildet. Die Erhebung 40 führt bei geöffneter Ablaufdrossel 20 dazu, dass der Durchflussquerschnitt reduziert wird. Aus diesem Grund wirkt der Ventilsitz 26 bei geöffneter Ablaufdrossel 20 als zusätzliche Drossel.
  • Durch das Prägen des Ventilsitzes 26 wird das Material im Bereich des Ventilsitzes 26 verfestigt. Diese Materialverfestigung sowie die größere Auflagefläche des Schließelementes 22 im Ventilsitz 26 führen dazu, dass sich auch nach einer großen Anzahl an Öffnungs- und Schließbewegungen des Schließelementes 22 eine Vertiefung 36 mit einem Vergleich zum nicht geprägten Ventilsitz 26 nur geringen Verschließtiefe 37 ausbildet.
  • Figur 5 zeigt die Stirnseite 32 des Ventilstücks 24 mit darin formgeprägtem Ventilsitz 26, wenn ein kugelförmiger Prägestempel verwendet wird, bei dem tangential aus der Kugel ein Kegelstumpf erwächst. Auch bei Verwendung eines solchen Prägestempels zeigt sich, dass die Rauhigkeit der Oberfläche 35 vor dem ersten Schließen des Steuerventiles geringer ist als bei einem nicht geprägten Ventilsitz 26. Durch den kegelförmigen Ansatz am Prägestempel 30 entsteht nur eine leichte Erhebung 40 auf der der Ablaufdrossel 20 zugewandten Seite des Ventilsitzes 26. Auch bei Verwendung eines Prägestempels 30 in Form einer Kugel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf 31 entsteht nach einer großen Anzahl von Öffnungs- und Schließbewegungen des Schließelementes 22 eine Vertiefung 36 mit einer im Vergleich zum nicht formgeprägten Ventilsitz 26 nur geringen Verschleißtiefe 37. Die Prägetiefe des formgeprägten Ventilsitzes 26 ist auch in Figur 5 mit Bezugszeichen 39 bezeichnet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftstoffinjektor
    2
    Injektorkörper
    3
    Ventilkolben
    4
    Stirnseite
    5
    Druckbolzen
    6
    Düsennadel
    7
    Einspritzöffnung
    8
    Sitz
    9
    Federelement
    10
    Ventilraum
    11
    stufenförmige Erweiterung
    12
    Stirnseite des Ventilraumes 10
    13
    Anschlussstutzen
    14
    Kraftstofffilter
    15
    Kanal
    16
    Düsenraum
    17
    Ringspalt
    18
    Steuerraum
    19
    Zulaufdrossel
    20
    Ablaufdrossel
    21
    Ablaufstutzen
    22
    Schließelement
    23
    Magnetventil
    24
    Ventilstück
    25
    Bohrung
    26
    Ventilsitz
    27
    Ringraum
    28
    Zulaufkanal
    29
    Kolben
    30
    Prägestempel
    31
    Kegelstumpf
    32
    Stirnseite
    33
    Abszisse
    34
    Ordinate
    35
    Oberfläche vor erstem Schließen
    36
    Vertiefung
    37
    Verschleißtiefe
    38
    Sitzbreite
    39
    Prägetiefe
    40
    Erhebung
    α1
    Öffnungswinkel des Kegelstumpfes 31
    α2
    Öffnungswinkel des Ventilsitzes 26

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors (1) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuerventil, das einen Ablauf aus einem Steuerraum (18) durch ein in einen Ventilsitz (26) gestelltes Schließelement (22) freigibt oder verschließt und der Ventilsitz (26) durch Formprägen mit einem Prägestempel (30) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablauf aus dem Steuerraum (18) eine Ablaufdrossel (20) aufweist und der Prägestempel (30) in Form einer Kugel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf (31) ausgebildet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelstumpf (31) einen Öffnungswinkel (α1) aufweist, der größer oder gleich dem Öffnungswinkel (α2) des kegelförmig ausgebildeten Ventilsitzes (26) ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Prägestempels (30) aus einem Hartmetall besteht.
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