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Dokumentenidentifikation DE60021372T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001175558
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BRENNSTOFFEINSPRITZVENTILSITZES
Anmelder Siemens VDO Automotive Corporation, Auburn Hills, Mich., US
Erfinder IMOEHL, James, William, Williamsburg, US;
HALL, Bryan, Newport News, US
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Aktenzeichen 60021372
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.04.2000
EP-Aktenzeichen 009263831
WO-Anmeldetag 27.04.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/11175
WO-Veröffentlichungsnummer 0000065225
WO-Veröffentlichungsdatum 02.11.2000
EP-Offenlegungsdatum 30.01.2002
EP date of grant 20.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse F02M 61/16(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F02M 61/18(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe und insbesondere auf eine Hochdruck-Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, die einen Ventilsitz beinhaltet, der eine Reihe von Merkmalen zur Minimierung der Bildung von Brennkammerablagerungen am Ventilsitz aufweist. Diese Erfindung bezieht sich auch auf die Anordnung und Herstellung eines Brennstoffeinspritzventilsitzes.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffeinspritzventile werden herkömmlicherweise verwendet, um einen dosierten Brennstoffstrom in eine Kraftmaschine mit innerer Verbrennung sicherzustellen. Im Fall eines Direkteinspritzsystems erstreckt sich ein Hochdruckeinspritzventil in die Brennkammer hinein. Infolgedessen neigt eine in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Stirnfläche des Brennstoffeinspritzventilsitzes dazu, Brennkammerablagerungen zu bilden. Es ist wünschenswert, diese Bildung von Ablagerungen zu vermeiden, um den Betrieb, für den das Brennstoffeinspritzventil vorgesehen ist, aufrechtzuerhalten.

Was den vorgesehenen Betrieb betrifft, so ist es für den Ventilsitz von entscheidender Bedeutung, eine Dichtfläche für das Schließen eines beweglichen Schließelements, z. B. der Nadel einer herkömmlichen Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, bereitzustellen. In einer ersten Position des Schließelements im Verhältnis zu Sitz, d. h. wenn das Schließelement auf dem Sitz aufliegt, wird der Brennstoffstrom durch das Einspritzventil blockiert. In einer zweiten Position des Schließelements im Verhältnis zum Sitz, d. h. wenn das Schließelement vom Sitz getrennt ist, wird der Brennstoffstrom durch das Einspritzventil zugelassen.

Um die Dichtfläche bereitzustellen, ist bekannt, dass der Sitz mit einem konischen Bereich versehen wird, der einen gewünschten spitzen Winkel hat. Herkömmlicherweise werden konusförmige Schleifwerkzeuge benutzt, um den konischen Bereich zu schleifen. Außerdem ist bekannt, dass die Güte der Oberflächenbeschaffenheit mit der Schleifgeschwindigkeit zusammenhängt. Im Fall konusförmiger Schleifwerkzeuge reduziert sich die Schleifgeschwindigkeit zur Spitze der Werkzeuge hin.

Im Fall von Brennstoffeinspritzventilsitzen, die eine kleine Düse haben, ist die Geschwindigkeit des Schleifwerkzeugs an der Düsenkante ungenügend. Daher können herkömmliche Schleifprozesse keine ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit auf herkömmlichen konischen Bereichen erzeugen.

GB 2073 954 offenbart eine Brennstoffeinspritzdüsenöffnung, die durch ein Verfahren gebildet wird, das die schrittweise Ausbildung einer Düse und zweier konischer Bereiche von zunehmend spitzen Winkeln beinhaltet. Die verschiedenen Bereiche werden mittels einer mechanischen Stanze zu einer glatten Kontur verbunden.

JP-A-60 019 957 offenbart einen Brennstoffeinspritzventilsitz, der eine in Strömungsrichtung davor angeordnete Stirnfläche, eine in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Stirnfläche und einen Durchgang mit einem Düsenbereich aufweist, der einen ersten Querschnittsflächenbereich hat, einen Dichtungsbereich, der einen zweiten Querschnittsflächenbereich hat, der von einem ersten zu einem zweiten Bereich mit einer ersten Rate kleiner wird, und einem Übergangsbereich, der mit einer zweiten Rate kleiner wird. Der Übergangsbereich dient dazu, die Bildung von Graten am Schnittpunkt des Dichtungsbereichs mit dem Düsenbereich zu verhindern, und wird unabhängig von den Proportionen des Einspritzventilsitzes bereitgestellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung soll bestimmte Nachteile der Sitze in herkömmlichen Brennstoffeinspritzventilen beheben. Die vorliegende Erfindung bietet dementsprechend Verfahren und/oder Vorrichtungen, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen und wesentlicher Bestandteil von ihr sind, stellen die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen sowie nachstehenden ausführlichen Beschreibung der Erläuterung der Merkmale dieser Erfindung.

1 ist eine Darstellung im Vollschnitt von einer Brennstoffeinspritzventilbaugruppe gemäß vorliegender Erfindung die entlang ihrer Längsachse;

2 ist eine vergrößerte Einzelheit der Darstellung im Vollschnitt der in 1 gezeigten Brennstoffeinspritzventilbaugruppe, der einen Sitz und einen Wirbelgenerator gemäß vorliegender Erfindung darstellt;

3 ist ein Schaubild, das eine Brennstoffstromreduzierung im Motor in Abhängigkeit vom Verhältnis der Düsenlänge zum Düsendurchmesser für verschiedene Beispiele für Brennstoffeinspritzventile zeigt;

4 ist eine Einzelheit eines Sitzbereichs, der in 2 mit „IV" bezeichnet wird; und

5 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sitzes, in der die kritischen Bereiche des Sitzes bezeichnet sind, die beschichtet werden, sowie die kritischen Bereiche, die nicht beschichtet werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)

Gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Übergangsbereich zwischen den herkömmlichen konischen Bereich und die Düse eingeschoben, so dass ein zusätzliches Volumen bereitgestellt wird, in dem die Spitze des herkömmlichen Schleifwerkzeugs dreht.

Allerdings beeinflusst ein übermäßiges Blindlochvolumen, d. h. die Säule des Brennstoff-Durchflussweges zwischen dem Dichtungsstreifen (d. h. Dichtung zwischen Nadel und Sitz) und der Düse, die Bildung von Brennkammerablagerungen am in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Sitz negativ. Auf diese Weise minimiert gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Übergangsbereich auch das Blindlochvolumen.

Zudem wird gemäß vorliegender Erfindung ein Brennstoffeinspritzventil auch in Bezug auf die Notwendigkeit und Gestaltung eines Übergangsbereichs evaluiert. Diese Evaluierung kann auf verschiedenen Faktoren basieren, einschließlich der Düsengröße und dem spitzen Winkel, der durch den konischen Dichtungsbereich definiert wird.

Eine Schnittfläche zwischen der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnseite und der Düse kann durch eine scharfe Kante definiert werden. Dies erleichtert das Lösen von Brennkammerablagerungen, die sich nahe der Kante bilden können.

Zudem kann ein Brennstoffeinspritzventilsitz eine Beschichtung haben, um die Bildung von Brennkammerablagerungen in einer ersten Gruppe kritischer Bereiche zu kontrollieren, und in einer zweiten Gruppe kritischer Bereiche unbeschichtet sein, um die Befestigung und den Betrieb des Sitzes zu erleichtern. Der Begriff „Achse", wie er hier gebraucht wird, wird definiert als Mittellinie, im Verhältnis zu der die Bauteile eines Ventilkörpers oder ein Bereich bezeichnet werden können. Dieser Begriff ist nicht auf gerade Linien beschränkt, sondern kann auch kurvenförmige Linien oder zusammengesetzte Linien beinhalten, die aus einer Kombination kurvenförmiger und gerader Linien bestehen.

Der Begriff „Rate", wie er hier gebraucht wird, wird definiert als ein Wert, der die Änderungen einer ersten Qualität im Verhältnis zu einer zweiten Qualität beschreibt. Beispielsweise kann sich „Rate" im Kontext der Beschreibung eines Volumens auf Änderungen dieses Querschnittsflächenbereichs des Volumens relativ zu Positionsänderungen entlang der Volumenachse beziehen. Der Begriff „Rate" ist nicht beschränkt auf konstante Werte, sondern kann auch variable Werte mit einschließen.

Der Begriff „spitzer Winkel", wie er hier gebraucht wird, wird definiert als Messung der Winkelbeziehung zwischen zwei Segmenten eines Ventilkörpers, wenn ein Querschnitt dieses Ventilkörpers in einer Ebene betrachtet wird, die die Achse dieses Ventilkörpers einschließt. In der Regel teilt die Achse den spitzen Winkel gabelförmig.

1 stellt eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 dar, wie beispielsweise eine Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 für Hochdruckdirekteinspritzung. Die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 hat ein Gehäuse, das einen Brennstoffeinlass 12, einen Brennstoffauslass 14 und einen Brennstoffdurchgang 16 beinhaltet, der sich entlang einer Längsachse 18 vom Brennstoffeinlass 12 zum Brennstoffauslass 14 erstreckt. Das Gehäuse beinhaltet ein darübergeformtes Kunststoffelement 20, das ein Trägerelement 22 aus Metall umgibt.

Ein Brennstoffeinlasselement 24 mit einem Einlassdurchgang 26 ist innerhalb des darübergeformten Kunststoffelements 20 angeordnet. Der Einlassdurchgang 26 dient als Teil des Brennstoffdurchgangs 16 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10. Ein Brennstofffilter 28 und ein verschiebbarer Tubus 30 sind im Einlassdurchgang 26 vorgesehen. Der verschiebbare Tubus 30 ist entlang der Längsachse 18 positionierbar, bevor es fixiert wird, wodurch die Länge einer Stößelvorspannfeder 32 geändert wird. In Kombination mit anderen Faktoren steuert die Länge der Feder 32 und damit die Vorspannkraft, die gegen den Stößel wirkt, die Menge des Brennstoffstroms durch das Brennstoffeinspritzventil. Das darübergeformte Kunststoffelement 20 trägt auch eine Buchse 20a, die einen Stecker (nicht dargestellt) aufnimmt, um die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 funktionsmäßig mit einer externen elektrischen Spannungsquelle zu verbinden, z. B. einer elektronischen Steuerung (nicht dargestellt). Ein O-Ring 34 aus Elastomer ist in einer Nut auf einer Außenfläche des Einlasselements 24 vorgesehen. Der O-Ring 34 wird getragen von einem Stützring 38, um das Einlasselement 24 dichtend an einem Brennstoffversorgungselement (nicht dargestellt), z. B. einem Brennstoffverteiler, zu befestigen.

Das Trägerelement 22 aus Metall umschließt eine Spulenbaugruppe 40. Die Spulenbaugruppe 40 beinhaltet einen Spulenträger 42, der eine Spule 44 hält. Die Enden der Spulenbaugruppe 40 sind elektrisch an die Stifte 40a angeschlossen, die innerhalb der Buchse 20a des darübergeformten Kunststoffelements 20 montiert sind. Ein Stößel 46 wird zwecks Relativbewegung entlang der Achse 18 in Bezug zum Einlasselement 24 gehalten. Der Stößel 46 wird von einem Abstandhalter 48, einer Ventilkörperbuchse 50 und einem Ventilkörper 52 gehalten. Der Stößel 46 hat einen Stößeldurchgang 54, der im Fluidaustausch mit dem Einlassdurchgang 26 steht.

Der Abstandhalter 48 schließt die Ventilkörperbuchse 50, die wiederum den Ventilkörper 52 schließt. Am Einlassbereich 60 des Ventilkörpers 52 befindet sich eine Stößelführungsöse 56. Ein axial verlaufender Ventilkörperdurchgang 58 verbindet den Einlassbereich 60 des Ventilkörpers 52 mit einem Auslassbereich 62 des Ventilkörpers 52. Der Stößeldurchgang 54 des Stößels 46 steht im Fluidaustausch mit dem Ventilkörperdurchgang 58 des Ventilkörpers 52. Ein Sitz 64, der vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht, ist am Auslassbereich 62 des Ventilkörpers 52 angebracht.

Der Ventilkörper 52 beinhaltet einen Halsbereich 66, der sich zwischen Einlassbereich 60 und Auslassbereich 62 erstreckt. Beim Halsbereich 66 kann es sich um einen Ring handeln, der eine Nadel 68 umschließt. Die Nadel 68 ist funktionsmäßig mit dem Stößel 46 verbunden und kann eine im Wesentlichen zylindrische Nadel 68 sein. Die zylindrische Nadel 68 ist zentral innerhalb und in einem Abstand zum Halsbereich angeordnet, so dass sie einen Teil des Ventilkörperdurchgangs 58 definiert. Die zylindrische Nadel 68 ist axial mit der Längsachse 18 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 ausgerichtet.

Die Betriebsleistung der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 wird erreicht durch die magnetische Kopplung des Stößels 46 mit dem Ende des Einlasselements 26, das dem Einlassbereich 60 des Ventilkörpers 52 am nächsten ist. Auf diese Weise dient der untere Bereich des Einlasselements 26, der dem Stößel 46 nahe ist, als Bestandteil des Magnetkreises, den er zusammen mit dem Stößel 46 und der Spulenbaugruppe 40 bildet. Der Stößel 46 wird von der Stößelführungsöse 56 geführt und reagiert auf eine elektromagnetische Kraft, die von der Spulenbaugruppe 40 erzeugt wird, um den Stößel 46 axial entlang der Längsachse 18 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 hin und her zu bewegen.

Die elektromagnetische Kraft wird durch einen Stromfluss von der elektronischen Steuerung (nicht dargestellt) durch die Spulenbaugruppe 40 erzeugt. Die Bewegung des Stößels 46 bewegt auch die funktionsgerecht angebrachte Nadel 68 in Positionen, die entweder getrennt vom Sitz 64 sind oder auf ihm aufliegen. Dies öffnet bzw. schließt den Sitzdurchgang 70 des Sitzes 64, was ermöglicht bzw. verhindert, dass Brennstoff durch den Brennstoffauslass 14 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 strömt. Die Nadel 68 umfasst eine gekrümmte Oberfläche 78, die eine teilweise kugelförmige Form haben kann, damit sie auf dem konischen Bereich 72 des Sitzdurchgangs 70 aufliegt. Natürlich können auch andere Konturen für die Spitze der Nadel 68 und den Sitzdurchgang 70 verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass, wenn sie in Kontakt miteinander sind, der Brennstoffstrom durch den Sitz 64 blockiert wird.

Bezugnehmend auf 1 und 2 kann ein optionaler Wirbelgenerator 74 nahe am Sitz 64 im Ventilkörperdurchgang 58 angeordnet sein. Der Wirbelgenerator 74 ermöglicht es, dass der Brennstoff ein Wirbelmuster am Sitz 64 ausbildet. Beispielsweise kann Brennstoff am konischen Bereich 72 des Sitzdurchgangs 70 verwirbelt werden, um ein gewünschtes Sprühmuster zu erhalten. Der Wirbelgenerator 74 wird vorzugsweise aus einem Paar flacher Scheiben konstruiert, einer Führungsscheibe 76 und einer Wirbelscheibe 78. Der Wirbelgenerator 74 definiert eine Kontaktfläche zwischen dem Sitz 64 und dem Ventilkörper 52. Die Führungsscheibe 76 bietet der Nadel 68 Halt.

Die Nadel 68 wird in einer zentralen Öffnung 80 der Führungsscheibe 76 geführt. Die Führungsscheibe 76 hat eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen, die Brennstoff vom Ventilkörperdurchgang 58 zur Wirbelscheibe 78 leiten. Die Wirbelscheibe 78 empfängt Brennstoff von den Brennstoffdurchgangsöffnungen in der Führungsscheibe 76 und leitet den Brennstoffstrom tangential zum Sitzdurchgang 70 des Sitzes 64. Die Führungsscheibe 76 und die Wirbelscheibe 78, die den Wirbelgenerator 74 bilden, werden an einer in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 des Sitzes 64 befestigt, vorzugsweise durch Laserschweißen. Brennstoff, der von der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 eingespritzt werden soll, wird von der Brennstoffeinlassquelle (nicht dargestellt) über den Brennstoffdurchgang 16 zum Brennstoffeinlass 12 zugeführt und tritt aus dem Brennstoffauslass 14 aus. Der Brennstoffdurchgang 16 beinhaltet den Einlassdurchgang 26 des Einlasselements 24, den Stößeldurchgang 54 des Stößels 46, den Ventilkörperdurchgang 58 des Ventilkörpers 52, die Führungsscheibe 76 und die Wirbelscheibe 78 des Wirbelgenerators 74 sowie den Sitzdurchgang 70 des Sitzes 64. In einem Hochdruck-Direkteinspritzsystem wird Brennstoff von der Einlassquelle mit einem Betriebsdruck von ca. 700 psi bis 2000 psi (138 bar bis 48 bar) zugeführt.

Es wird besonders auf 2 Bezug genommen; der Sitzdurchgang 70 des Sitzes 64 erstreckt sich zwischen der in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 des Sitzes 64 und einer in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 des Sitzes 64. Der Sitzdurchgang 70 umfasst einen Düsenbereich 608, einen Nadeldichtungsbereich 612 und einen Übergangsbereich 614. Der Nadeldichtungsbereich 612 ist nahe an der ersten Stirnfläche 602 angeordnet, der Düsenbereich 608 ist nahe an der in Strömungsrichtung dahinter liegenden Stirnfläche 604 angeordnet, und der Übergangsbereich 614 ist zwischen dem Düsenbereich 608 und dem Nadeldichtungsbereich 612 angeordnet.

Der Düsenbereich 608 hat einen ersten Querschnittsflächenbereich relativ zur Längsachse 18. Dies bedeutet, dass der erste Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen messbar ist, die orthogonal zur Längsachse 18 liegen, da er sich durch den Düsenbereich 608 erstreckt, oder er ist in jeder der imaginären Ebenen innerhalb des Düsenbereichs 608 messbar, die parallel zur in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 liegen. Der häufigste Fall ist, dass die in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Stirnfläche 604 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet ist, und die Längsachse 18 aus einer geraden Linie besteht, die sich durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erstreckt. Infolgedessen ist der erste Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen messbar, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 liegen.

Der erste Querschnittsflächenbereich kann im Wesentlichen über den gesamten Düsenbereich 608 gleich sein. Beispielsweise kann der erste Querschnittsflächenbereich ein Kreis sein, der einen Durchmesser D hat, und der Düsenbereich 608 kann sich entlang der Längsachse 18 über eine Länge L erstrecken. Auf diese Weise beinhaltet der Düsenbereich 608 in dem oben beschriebenen häufigsten Fall einen senkrechten kreisförmigen Zylinder. Mit Hilfe von Versuchen wurde festgestellt, dass die für die Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 gewünschten Betriebseigenschaften erreicht werden, wenn das Verhältnis der Länge L zum Durchmesser D, d. h. „L/D" für den Düsenbereich 608 nahe 0,3 liegt, jedoch mindestens diesem Wert entspricht. 3 zeigt eine empirische Datenkennlinie der Brennstoffstromveränderungen auf Grund von Ablagerungen in Abhängigkeit vom Verhältnis „L/D".

Der Nadeldichtungsbereich 612 hat einen zweiten Querschnittsflächenbereich relativ zur Längsachse 18. Dies bedeutet, dass der zweite Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen messbar ist, die orthogonal zur Längsachse 18 liegen, da er sich durch den Nadeldichtungsbereich 612 erstreckt, oder er ist in jeder der imaginären Ebenen innerhalb des Nadeldichtungsbereichs 612 messbar, die parallel zur in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen. Der häufigste Fall ist, dass die in Strömungsrichtung davor angeordnete Stirnfläche 602 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet ist, und die Längsachse 18 aus einer geraden Linie besteht, die sich durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erstreckt. Infolgedessen ist der zweite Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen messbar, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen.

Der Nadeldichtungsbereich 612 wird mit Hilfe eines Schleifwerkzeugs ausgebildet, so dass er eine ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit erhält. Die Kontur des Nadeldichtungsbereichs 612 kann durch die Form jedes zweiten Querschnittsflächenbereichs und die Rate beschrieben werden, mit der der Querschnittsflächenbereich im gesamten Verlauf des Nadeldichtungsbereichs 612 reduziert wird. Der zweite Querschnittsflächenbereich kann einen ersten Bereich in der imaginären Ebene haben, der nahe an der in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 ist, und mit einer ersten Rate zu einem zweiten Bereich in der imaginären Ebene reduziert werden, die entfernt von der in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 ist. Wie oben erörtert, kann diese Rate konstant oder variabel sein. In dem Fall, in dem die Form jedes zweiten Querschnittsflächenbereichs ein Kreis ist, der einen Durchmesser hat, der, wie in 2 dargestellt, mit einer konstanten Rate reduziert wird, ist die Form des Nadeldichtungsbereichs 612 als gerader Kegelstumpf mit einem spitzen Winkel 624 ausgebildet. Natürlich können verschiedene Formen für den Nadeldichtungsbereich 612 ausgebildet werden durch Variieren der Form der zweiten Querschnittsflächenbereiche oder durch Variieren der Rate, mit der sich diese ändern.

Der Übergangsbereich 614 hat einen dritten Querschnittsflächenbereich relativ zur Längsachse 18. Dies bedeutet, dass der dritte Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen messbar ist, die orthogonal zur Längsachse 18 liegen, da er sich durch den Übergangsbereich 614 erstreckt, oder er ist in jeder der imaginären Ebenen innerhalb des Übergangsbereichs 614 messbar, die parallel zur in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen. Der häufigste Fall ist, dass die in Strömungsrichtung davor angeordnete Stirnfläche 602 im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 18 angeordnet ist, und die Längsachse 18 aus einer geraden Linie besteht, die sich durch die gesamte Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 erstreckt. Infolgedessen ist der dritte Querschnittsflächenbereich in jeder der imaginären Ebenen messbar, die sowohl orthogonal zur Längsachse 18 als auch parallel zur in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 liegen.

Der Übergangsbereich 614 kann mit Hilfe eines Schleifwerkzeugs, eines Bohrwerkzeugs usw. ausgebildet werden. Die Kontur des Übergangsbereichs 614 kann durch die Form jedes dritten Querschnittsflächenbereichs und die Rate beschrieben werden, mit der der dritte Querschnittsflächenbereich im gesamten Verlauf des Übergangsbereichs 614 reduziert wird. Der dritte Querschnittsflächenbereich kann mit einer zweiten Rate vom zweiten Bereich des zweiten Querschnittsflächenbereichs zum ersten Querschnittsflächenbereich des Düsenbereichs 608 reduziert werden. Wie oben erörtert, kann diese Rate konstant oder variabel sein. In dem Fall, in dem die Form jedes dritten Querschnittsflächenbereichs ein Kreis ist, der einen Durchmesser hat, der, wie in 2 dargestellt, mit einer konstanten Rate reduziert wird, ist die Form des Übergangsbereichs 614 als gerader Kegelstumpf mit einem spitzen Winkel 626 ausgebildet. Natürlich können verschiedene Formen für den Übergangsbereich 614 ausgebildet werden durch Variieren der Form der zweiten Querschnittsflächenbereiche oder durch Variieren der Rate, mit der sich diese ändern.

Der Übergangsbereich 614 bietet ein Volumen, das die Spitze des Schleifwerkzeugs aufnimmt, das den Nadeldichtungsbereich 612 ausbildet. Auf diese Weise haben nur diejenigen Bereiche des Schleifwerkzeugs, die mit einer ausreichenden Schleifgeschwindigkeit angetrieben werden, Kontakt mit den Nadeldichtungsbereich 612, so dass zumindest eine ausgewählte Oberflächenmindestbeschaffenheit über die gesamte Oberfläche des Nadeldichtungsbereichs 612 erzeugt wird.

Wenn der Übergangsbereich 614 konisch ausgebildet ist, ist der spitze Winkel 624 des Nadeldichtungsbereichs 612 vorzugsweise größer als der spitze Winkel 626 des Übergangsbereichs 614. Der spitze Winkel 624 kann um ca. 15° größer als der spitze Winkel 626 sein; beispielsweise kann der spitze Winkel 624 des Nadeldichtungsbereichs 612 ca. 105° und der spitze Winkel 626 des Übergangsbereichs 614 ca. 90° groß sein. Natürlich sind verschiedene Kombinationen spitzer Winkel verwendbar, vorausgesetzt, der Nadeldichtungsbereich 612 entspricht in Dichtposition der Oberfläche 78 von Nadel 68, und der Übergangsbereich 614 unterstützt die Herstellung einer ausgewählten Oberflächenbeschaffenheit auf dem Nadeldichtungsbereich 612. Es hat sich beispielsweise erwiesen, dass, wenn der spitze Winkel 624 ca. 104° und der spitze Winkel 626 ca. 85° beträgt, die Stromstabilität verbessert wird. Wenn der spitze Winkel 626 auf einen Bereich von ca. 95 bis 100° vergrößert wird, sinkt die Stromstabilität, und das Ablösen von Ablagerungen verbessert sich, möglicherweise auf Grund von Kavitation.

Neben der Bereitstellung eines Übergangs zwischen dem Nadeldichtungsbereich 612 und dem Düsenbereich 608 minimiert der Übergangsbereich 614 das Blindlochvolumen, d. h. das Volumen des Sitzdurchgangs 70, von dem aus die Oberfläche 78 der Nadel 68 im Nadeldichtungsbereich 612 des Düsenbereichs 608 aufliegt. Beispielsweise würde ein Übergangsbereich 614, der die Form eines senkrechten kreisförmigen Zylinders hat, das Blindlochvolumen im Vergleich zu einem geraden Kegel, wie er in 2 dargestellt ist, unerwünscht vergrößern.

Bezugnehmend auf 2 und 4 kann die Schnittfläche an der Verbindungsstelle zwischen der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und dem Düsenbereich 608 eine scharfe Kante sein, um das Ablösen von Brennkammerablagerungen zu erleichtern, die sich auf der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 bilden. Insbesondere verhindert eine scharfe Kante, dass die Bildung von Brennkammerablagerungen auf der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 sich durch Ansammlungen auf dem Düsenbereich 608 fortsetzt. Das heißt, dass sich das Muster der Bildung von Ablagerungen nicht von der im Wesentlichen planen Fläche der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 zu der im Wesentlichen zylinderförmigen Fläche des Düsenbereichs 608 erstreckt. Stattdessen resultiert die fortgesetzte Zunahme der Ablagerungen an der Schnittfläche zwischen der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und dem Düsenbereich 608 in einer Ablagerungsausformung, die problemlos durch den unter hohem Druck stehenden Brennstoffsprühnebel abgelöst werden kann, der durch den Düsenbereich 608 strömt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine scharfe Kante durch eine Schnittfläche definiert werden, die eine ringförmige, angefaste Kante 606 beinhaltet, die die senkrechten Flächen der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und des Düsenbereichs 608 verbindet. Die angefaste Kante 606 kann sich über ca. 0,02 mm erstrecken und im Winkel von 45° im Verhältnis zu jeder der senkrechten Flächen ausgerichtet sein.

Bezugnehmend auf 5 können Beschichtungen, die die Oberflächenenergie oder die Reaktionsfähigkeit von Oberflächen reduzieren, auch die Bildung von Brennkammerablagerungen kontrollieren. Bestimmte Oberflächen des Sitzes 64 können beschichtet sein, doch das Vorhandensein einer Beschichtung kann bestimmte kritische Oberflächen des Sitzes 64 negativ beeinflussen. Beispielsweise können Beschichtungen die Effizienz der Dichtung zwischen Nadel und Sitz reduzieren oder den Anschluss des Sitzes 64 an den Ventilkörper 52 behindern.

Ein Einspritzventilsitzrohling, das heißt ein Sitz 64, der die in Strömungsrichtung davor angeordnete Stirnfläche 602, die in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Stirnfläche 604 und den Rohdurchgang 70 (vor dem Schleifen des Nadeldichtungsbereichs 612) umfasst, wird beschichtet oder galvanisiert. Abdeckungen können verwendet werden, um das Aufbringen der Beschichtung auf eine äußere Umfangfläche von Sitz 64 zu verhindern.

Abdeckungen können ferner verwendet werden, um das Aufbringen der Beschichtung auf einen Bereich der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 zu verhindern, der nahe an der äußeren Umfangsfläche liegt. Diese abgedeckten Bereiche können anschließend verwendet werden, um den Sitz 64 mit dem Ventilkörper 52 zu verbinden. Durch das Schleifen für den Nadeldichtungsbereich 612 wird die aufgebrachte Beschichtung im Bereich des kritischen Dichtungsstreifens entfernt. Auf diese Weise wird der Sitz 64 in den Bereichen beschichtet, die für das Verhindern der Bildung von Ablagerungen am notwendigsten sind, und im kritischen Dichtungsstreifenbereich sowie im Sitzbefestigungsbereich unbeschichtet sind. Bei der Beschichtung kann es sich um eine kohlenstoffbasierte Beschichtung handeln, wie sie z. B. unter dem Markennamen SICON angeboten wird, die mittels herkömmlicher Aufdampfverfahren aufgebracht werden kann. Die Beschichtung kann auch auf Fluorpolymerbasis, Aluminiumbasis oder Keramikbasis sein. Die durch Aufliegen schließende Nadel 68 kann ebenfalls beschichtet werden oder unbeschichtet sein. Das Verfahren zur Ausbildung der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10 beinhaltet die Ausbildung des Sitzes 64, der die in Strömungsrichtung davor angeordnete Stirnfläche 602, die in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Stirnfläche 604 und den Sitzdurchgang 70 aufweist, der sich zwischen der in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche 602 und der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 erstreckt. Das Verfahren beinhaltet zudem die Ausbildung des Düsenbereichs 608 und des Übergangsbereichs 614 innerhalb des Durchgangs 70. Vor dem Aufbringen einer Beschichtung auf dem Sitz 64 kann der Nadeldichtungsbereich 612 roh ausgeformt werden, und die scharfe Kantenschnittfläche 606 kann zwischen der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 und dem Düsenbereich 608 ausgebildet werden. Der Düsenbereich 608, der roh ausgeformte Nadeldichtungsbereich 612 und der Übergangsbereich 614 können in beliebiger Reihenfolge und durch jedes Verfahren ausgeformt werden, z. B. durch Bohren, Drehen usw. Zudem kann jede Kombination des Düsenbereichs 608, des roh ausgeformten Nadeldichtungsbereichs 612 und des Übergangsbereichs 614 gleichzeitig in einem Arbeitsgang ausgebildet werden, oder es können alle in einzelnen Arbeitsgängen ausgeformt werden. Anschließend kann der Sitz 64 abgedeckt und die Beschichtung auf den Sitz 64 aufgebracht werden. Danach kann die Abdeckung vom Sitz 64 entfernt und die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Nadeldichtungsbereich 612 durch Schleifen erzeugt werden.

Alternativ kann der Nadeldichtungsbereich 612 mit der ausgewählten Oberflächenbeschaffenheit in einem einzigen Schritt ausgebildet werden, d. h., ohne gesonderte Rohausformung des Nadeldichtungsbereichs 612. Der Übergangsbereich 614 bietet das Volumen für das Schleifwerkzeug, das notwendig ist, um die für den Nadeldichtungsbereich 612 ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen. Und wie bereits vorstehend erörtert, minimiert der Übergangsbereich ferner das Blindlochvolumen. Der Sitz 64 ist nun bereit für die Montage am Ventilkörper 52 der Brennstoffeinspritzventilbaugruppe 10. Eine Reihe von Faktoren wird evaluiert, um die Notwendigkeit der Bereitstellung des Übergangsbereichs 614 zwischen dem Düsenbereich 608 und dem Nadeldichtungsbereich 612 zu bestimmen. Diese Faktoren beinhalten den ersten Querschnittsflächenbereich des Düsenbereichs 608, den spitzen Winkel des Nadeldichtungsbereichs 612 und die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit, die auf dem Nadeldichtungsbereich 612 zu erzeugen ist.

Die Oberflächenbeschaffenheit oder die Oberflächenstruktur eines Materials ist eine Rauheitsmessgröße, die in Form eines Wertes angegeben wird, der der arithmetischen mittleren Abweichung winzig kleiner Oberflächenunregelmäßigkeiten von einer hypothetischen perfekten Oberfläche entspricht. Die Oberflächenrauheit wird in „&mgr;m" ausgedrückt.

Bei einem drehenden Schleifwerkzeug variiert die lineare Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Drehachse. Daher ist, wenn die von einem drehenden Schleifwerkzeug erzeugte Oberflächenbeschaffenheit in einem radialen Abstand, der der Kante des ersten Querschnittsflächenbereichs entspricht, zu rau ist, ein Übergangsbereich 614 gemäß vorliegender Erfindung notwendig.

Der Übergangsbereich 614 bietet ein Volumen, das relativ nahe an der Drehachse bei einem drehenden Schleifwerkzeug ist, und in dem das Schleifwerkzeug nicht den Sitz 64 berührt. Auf diese Weise werden nur die Durchmesser eines drehenden Schleifwerkzeugs benutzt, die sich mit ausreichender Schleifgeschwindigkeit bewegen, um die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Nadeldichtungsbereich 612 zu erzeugen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einem Nadeldichtungsbereich 612, der einen spitzen Winkel von ca. 105° hat, ein Übergangsbereich 614 notwendig, wenn das Verhältnis des ersten Querschnittsflächenbereichs zum ersten Bereich des zweiten Querschnittsflächenbereichs unter 0,5 liegt.

Natürlich wird, wenn der Nadeldichtungsbereich 612 durch ein Verfahren ausgebildet werden soll, das ein anderes Werkzeug als ein drehendes Schleifwerkzeug verwendet, oder wenn die Form der zweiten Querschnittsflächenbereiche nicht rund ist, die Notwendigkeit eines Übergangsbereichs 614 bestimmt durch Evaluierung der Güte der Oberflächenbeschaffenheit an der Schnittfläche zwischen dem Nadeldichtungsbereich 612 und dem Düsenbereich 608.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen offenbart wurde, sind zahlreiche Modifikationen, Varianten und Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne dass vom Geltungs- und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert wird, abgewichen wird. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass der vollständige Schutzbereich durch den Wortlaut der folgenden Patentansprüche und deren Äquivalente definiert wird.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ausbildung eines Brennstoffeinspritzventilsitzes (64), wobei dieser Sitz eine in Strömungsrichtung davor angeordnete Stirnfläche (602), eine in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Stirnfläche (604) und einen Durchgang (70) hat, der sich entlang einer Achse (18) zwischen der in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche und der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche 604 erstreckt, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

    innerhalb des Durchgangs das Ausbilden eines Düsenbereichs (608), der sich nahe der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Stirnfläche befindet und einen ersten Querschnittsflächenbereich relativ zu der Achse hat;

    innerhalb des Durchgangs das Ausbilden eines Dichtungsbereichs (612), der sich nahe der in Strömungsrichtung davor angeordneten Stirnfläche befindet und einen zweiten Querschnittsflächenbereich relativ zu der Achse hat, der mit einer ersten Rate in Stromabwärtsrichtung von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich reduziert wird;

    dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte beinhaltet:

    Bestimmen eines Verhältnisses des ersten Querschnittsflächenbereichs zu einem ersten Bereich;

    in Reaktion darauf, dass besagtes Verhältnis einen vordefinierten Wert nicht übersteigt, das Ausbilden eines Übergangsbereichs (614) innerhalb des Durchgangs; wobei der Übergangsbereich zwischen dem Düsenbereich und dem Dichtungsbereich angeordnet ist und einen dritten Querschnittsflächenbereich relativ zur Achse hat, der mit einer zweiten Rate in Stromabwärtsrichtung vom zweiten Bereich zum ersten Querschnittsflächenbereich reduziert wird;

    in Reaktion darauf, dass besagtes Verhältnis besagten vordefinierten Wert übersteigt, das Bereitstellen des besagten Düsenbereichs in Kontakt mit besagtem Dichtungsbereich.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Dichtungsbereich einen ersten konischen Abschnitt beinhaltet, der einen ersten spitzen Winkel (624) definiert, und bei dem ein Übergangsbereich einen zweiten konischen Abschnitt beinhaltet, der einen zweiten spitzen Winkel (626) definiert, wobei der erste spitze Winkel größer als der zweite spitze Winkel ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste spitze Winkel im Wesentlichen 105° entspricht und der zweite spitze Winkel im Wesentlichen 90° entspricht.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vordefinierte Wert 0,5 ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ausbilden des Dichtungsbereichs das Schleifen mit einem Schleifwerkzeug einschließt, um eine ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit auf dem Dichtungsbereich zu erhalten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Schleifwerkzeug um eine Drehachse drehend angetrieben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Übergangsbereich ein Volumen bereitstellt, das eine Spitze des Schleifwerkzeugs aufnimmt, wobei die Spitze nahe an der Drehachse ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit unter 0,5 &mgr;m liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit ca. 0,4 &mgr;m beträgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem bei dem die ausgewählte Oberflächenbeschaffenheit ca. 0,2 &mgr;m beträgt.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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