-
Bei
Dosierungsvorrichtungen für
Flüssigkeiten,
wie sie beispielsweise für
die Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen verwendet
werden, spielt das Fertigen von durchflussbestimmenden Bohrungen
eine große
Rolle. Da die beweglichen Elemente, die die Einspritzöffnungen
oder Durchflussöffnungen
freigeben, häufig
durch verschiedene Druckverhältnisse
innerhalb der Vorrichtung hydraulisch bewegt werden, müssen die
flüssigkeitsführenden
Bohrungen einen genau vorgegebenen Durchflusswiderstand aufweisen,
damit sich die gewünschten
Druckverhältnisse
mit der nötigen
Präzision
einstellen lassen. Als ein Beispiel sei ein Kraftstoffinjektor erwähnt, wie
er zur Einspritzung von Kraftstoff in selbstzündende Brennkraftmaschinen
verwendet wird. Moderne Injektoren weisen verschiedene Bohrungen
auf, die eine genau aufeinander abgestimmte Drosselwirkung haben,
um den Kraftstoffzufluss oder Kraftstoffabfluss zu bestimmten Steuerräumen zu
regeln. Es ist hierbei unabdingbar, die Toleranz des Durchflusswiderstands
dieser Bohrungen in sehr engen Grenzen zu halten.
-
Es
ist aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der
DE 199 37 961 A1 , hinlänglich bekannt,
durchflussbestimmende Bohrungen mit gewissen Formen auszugestalten.
Hierfür
werden verschiedene Verfahren benutzt, wie Stanzen, Erodie ren oder
Laserbohren. Damit lassen sich die Bohrungen selbst und auch deren
Oberfläche
bearbeiten. Meist zeigen diese Erodier- oder Laserbohr-Verfahren
jedoch nicht die gewünschte
Toleranz bezogen auf den Durchflusswiderstand. Darüber hinaus
hinterlassen diese Verfahren am Bohrungseintritt oder Bohrungsaustritt
störende
Effekte in Form von Mikrorissen oder Wärmeeinflusszonen, die einen
späteren zusätzlichen
Arbeitsgang erfordern.
-
Zur
letztendlichen Einstellung des Strömungswiderstands und zur Nachbearbeitung
der Oberfläche
wird häufig
Strömungsschleifen
angewandt, sogenanntes hydroerosives Runden, bei dem ein mit abrasiven
Partikeln vermischtes Fluid durch die Bohrung gedrückt wird.
Durch die abrasiven Partikel wird Material an der Oberfläche der
Bohrung und insbesondere an Einlauf- und Auslaufkanten abgetragen,
wobei der Vorgang bei der Fertigung solange fortgesetzt wird, bis
der gewünschte
Durchflusswiderstand erreicht ist. Das hydroerosive Schleifen glättet jedoch
bedingt durch die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien weitgehend
nur die Eintrittskante der Bohrungen und bewirkt dadurch den geänderten
Durchflusswiderstand.
-
Trotz
der durch den Schleifvorgang verbesserten Oberflächeneigenschaften entfernt
dieses Verfahren jedoch bspw. nicht die Mikrorisse, die durch das
Erodieren entstehen. Außerdem
lässt sich das
Verfahren selbst nicht kalibrieren, ist aufwendig und teuer in der
Anlagetechnik und verursacht erhebliche Abnutzungen bei den nachgeschalteten
Vorrichtungen zur Durchflussmessung. Das hydroerosive Runden erlaubt
darüber
hinaus keine Variation der Kantengeometrie innerhalb der Bohrung
und weist ein starkes Sättigungsverhalten
auf, wenn die Bohrung einen gewissen Durchmesser überschreitet. Eine
weitere Schwierigkeit ist der hohe Zeitaufwand beim Strömungsschleifen,
was die Taktzeit bei der Fertigung entsprechend verlängert.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Dosierungsvorrichtung
für Flüssigkeiten
weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass mit einem einfachen Verfahren bei durchflussbestimmenden
Bohrungen sehr enge Toleranzen des Durchflusswiderstandes erreicht
werden, wobei das Verfahren schnell und kostengünstig angewandt werden kann.
Durch einen Präge-
oder Pressvorgang wird zumindest ein Teil der Bohrung als Erweiterung
ausgebildet, sodass sich ausgehend von einer Vorbohrung eine Bohrung
mit dem gewünschten
Durchflusswiderstand herstellen lässt. Eine so gefertigte Bohrung
weist darüber
hinaus den Vorteil auf, dass durch den Präge- oder Pressvorgang gezielt
Druckeigenspannungen im Einlaufbereich oder in sonstige Bereiche
der Bohrung eingebracht werden können,
die zu einer Verfestigung führen
und verschleißfester
sind als auf anderem Weg hergestellte Bohrungsformen. Ferner können mit dem
Prägeverfahren
Spezialformen ausgebildet werden, bei denen bestimmte Bohrungsabschnitte
beliebig gewölbt
ausgebildet werden können,
wobei auch Abweichungen von der kreisrunden Form denkbar sind. Da
die Prüfung
einer solchen Bohrung nur mittels eines Prüfmediums ohne abrasive Eigenschaften erfolgt,
werden die sonst mit dem hydroerosiven Schleifen einhergehenden
Nachteile in den nachgeschalteten Bauelementen vermieden. Darüber hinaus
lässt sich
der Prägevorgang
ausreichend kalibrieren, um ohne ständige Messüberwachung eine Bohrung mit
den gewünschten
Eigenschaften herstellen zu können.
Damit könnte
darauf verzichtet werden, jede einzelne Bohrung zu messen, sondern die
Messtätigkeit
lässt sich
auf Stichproben beschränken.
Durch die Verfestigung des Materials wird auch die Oberfläche günstig beeinflusst,
sodass durch Erodieren entstandene Mikrorisse geschlossen werden.
-
In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist die Bohrung einen
im Durchmesser größeren Bohrungsabschnitt
und einen sich daran anschließenden,
im Durchmesser kleineren Bohrungsabschnitt auf, wobei die Verfestigung
durch den Prägevorgang
in dem Abschnitt des kleineren Bohrungsabschnitts geschieht, der
sich unmittelbar an den größeren Bohrungsabschnitt
anschließt.
Dadurch bildet sich die Erweiterung am Übergang des größeren Bohrungsabschnitts
zum kleineren Bohrungsabschnitt, wo für gewöhnlich der größte Durchflusswiderstand
gebildet wird. Durch den Prägevorgang lässt sich
dieser Durchflusswiderstand jetzt gezielt beeinflussen und in den
gewünschten
Bereich bringen.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung der Dosierungsvorrichtung für Flüssigkeiten kann der gewünschte Durchflusswiderstand der
Bohrung schnell und einfach hergestellt werden, indem ein entsprechendes
Prägewerkzeug
in die Bohrung eingeführt
wird, die zuvor mit einem materialabtragenden Verfahren gebildet
wurde. Das Prägewerkzeug
drückt
hierbei das Material im wesentlichen radial nach außen, sodass
die Erweiterung entsteht und das Material in diesem Bereich verdichtet wird.
Insbesondere dann, wenn die Bohrung eine gestufte Form aufweist,
also wenigstens einen größeren Bohrungsabschnitt
und einen kleineren Bohrungsabschnitt, bietet sich ein Prägewerkzeug
an, dass eine kegelförmige
Druckfläche
aufweist. Wird das Prägewerkzeug
in den größeren Bohrungsabschnitt
eingeführt,
lässt sich
am Übergang
vom größeren Bohrungsabschnitt
zum kleineren Bohrungsabschnitt rasch die erfindungsgemäße Erweiterung mittels
des Prägewerkzeugs
herstellen.
-
Zeichnung
-
In
der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Dosierungsvorrichtung für Flüssigkeiten
gezeigt und das entsprechende Herstellungsverfahren illustriert. Es
zeigt
-
1 einen
Längsschnitt
durch eine Dosierungsvorrichtung für Flüssigkeiten, hier in Form eines Einspritzventils
für Brennkraftmaschinen,
wie es vorzugsweise für
selbstzündende
Brennkraftmaschinen verwendet wird,
-
2 eine
Vergrößerung des
mit II bezeichneten Ausschnitts von 1, wobei
die Bohrung hier vor dem sich anschließenden Prägevorgang gezeigt ist und
-
3 zeigt
die fertig ausgebildete Bohrung nach dem Prägevorgang, zusammen mit der
wesentlichen Komponente des Prägewerkzeugs.
-
In 1 ist
eine erfindungsgemäße Dosierungsvorrichtung
für Flüssigkeiten
dargestellt, hier in Form eines Einspritzventils 1, wie
es vorzugsweise für
selbstzündende
Brennkraftmaschinen verwendet wird, die den Kraftstoff direkt in
die Brennkammer der Brennkraftmaschine einspritzten. Das Einspritzventil 1 weist
ein Gehäuse
auf, das einen Ventilkörper 3, eine
Drosselscheibe 5 und einen Haltekörper 7 umfasst, die
hier mittels einer Spannmutter 9 gegeneinander gepresst
sind. Im Ventilkörper 3 ist
ein Druckraum 10 ausgebildet, in dem eine Ventilnadel 14 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Ventilnadel 14 wirkt mit einem Ventilsitz 16 zur
Steuerung der Öffnung
wenigstens einer Einspritzöffnung 18 zusammen,
wobei eine Einspritzung nur dann geschieht, wenn die Ventilnadel 14 vom
Ventilsitz 16 abgehoben hat, während bei Anlage am Ventilsitz 16 die
Einspritzbohrungen 18 verschlossen werden. Die Ventilnadel 14 wird
an ihrem ventilsitzabgewandten Ende von einer Hülse 22 umgeben, sodass
durch die Ventilnadel 14 und die Hülse 22 zusammen mit
der Drosselscheibe 5 einen Steuerraum 25 begrenzt
wird, durch dessen Druck eine in Richtung des Ventilsitzes 18 wirkende
Kraft auf die Ventilnadel 14 ausübbar ist. Diese Schließkraft wird
noch durch eine die Ventilnadel 14 umgebende und sich an
der Hülse 22 abstützende Schließfeder 20 unterstützt, die
unter Druckvorspannung im Druckraum 12 angeordnet ist,
jedoch dient die Schließfeder 20 hauptsächlich dazu, die
Ventilnadel 14 in ihrer Schließstellung zu halten, wenn bei
abgeschalteter Brennkraftmaschine weder im Steuerraum 25 noch
im Druckraum 10 Kraftstoffdruck vorhanden ist. Der Schließkraft wirken
hydraulische Öffnungskräfte entgegen,
die auf die Ventilnadel 14 durch den Kraftstoffdruck im
Druckraum 10 einwirken, wobei die Ventilnadel 14 in
einem mittleren Abschnitt im Druckraum 10 seitlich geführt ist,
um zu gewährleisten,
dass die Ventilnadel 14 stets nur in Längsrichtung bewegt wird.
-
Der
Druckraum 10 ist mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar, der über eine
Zulaufbohrung 12 zugeführt
wird, die im Haltekörper 7 und
der Drosselscheibe 5 verläuft. Von der Zulaufbohrung 12 führt eine
Bohrung 35 in den Steuerraum 25, so dass ständig Kraftstoff
unter hohen Druck dem Steuerraum 25 zugeführt wird.
Im Haltekörper 7 ist
ein Steuerventil 30 ausgebildet, das einen Steuerventilraums 33 aufweist,
der über
eine Ablaufdrossel 36 mit dem Steuerraum 25 verbunden
ist. Darüber
hinaus ist der Steuerventilraum 33 über eine Bypass-Drossel 37 direkt
mit dem Druckraum 10 verbunden. Im Steuerventilraum 33 ist
ein Steuerventilelement 32 angeordnet, das durch einen
entsprechenden Aktor bewegt werden kann. Der Steuerventilraum 33 ist
mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckelraum verbunden,
wobei die Verbindung je nach Stellung des Steuerventilelements 32 geöffnet oder
geschlossen wird. Ist das Steuerventilelement 32 in der
geschlossenen Stellung, so ist der Steuerventilraum 33 über die
Bypass-Drossel 37 mit dem Druckraum 10 verbunden
und die Ablaufdrossel 36 mit dem Steuerraum 25.
Ist das Steuerventilelement 32 hingegen in der geöffneten
Stellung, so wird die Bypass-Drossel 37 verschlossen, während die
Ablaufdrossel 36 mit dem Leckölraum verbunden ist.
-
In
der geschlossenen Stellung herrscht im Steuerraum 25 bedingt
durch die Zulaufdrossel 35 und die Bypass-Drossel 37,
die über
die Ablaufdrossel 36 dem Steuerraum 25 ebenfalls
Kraftstoff zuführt,
im Steuerraum 25 ein hoher Kraftstoffdruck, der ausreicht,
die Ventilnadel 14 in ihrer Schließstellung halten. Soll eine
Einspritzung erfolgen, so wird das Steuerventil 30 betätigt und über die
jetzt mit dem Leckölraum
verbundene Ablaufdrossel 36 sinkt der Druck im Steuerraum 25 ab,
da mehr Kraftstoff abfließt
als über
die Bohrung 35 nachfließen kann. Durch den erniedrigten
Kraftstoffdruck im Steuerraum 25 erreichen die hydraulischen
Kräfte
auf die Ventilnadel 14 nunmehr aus, diese in ihre Öffnungsstellung
zu bewegen, sodass eine Kraftstoffeinspritzung stattfindet.
-
Um
den Druck im Steuerraum 25 exakt steuern zu können, müssen die
einzelnen Drosseln und Bohrungen, hier also die Bypass-Drossel 37,
die Ablaufdrossel 36 und die Bohrung 35, einen
genau definierten Durchflusswiderstand aufweisen. Um diesen genau
einstellen zu können,
müssen
die Bohrungen und insbesondere die in der Bohrung vorhandenen Kanten
genau ausgebildet werden, um in sehr engen Toleranzen den gewünschten
Durchflusswiderstand zu erreichen, so dass bei gegebenem Druck eine
vorgegebene Flüssigkeitsmenge
pro Zeiteinheit durch die Bohrung 35 fließt. Hierzu
zeigt 2 eine Vergrößerung des
mit II bezeichneten Ausschnitts von 1, also
der Bohrung 35. Die Bohrung 35 weist einen größeren Bohrungsabschnitt 135 und
einen kleineren Bohrungsabschnitt 235 auf, sodass am Übergang
des größeren Bohrungsabschnitts 135 zum kleineren
Bohrungsabschnitt 235 eine Kante 39 gebildet wird.
Die Flussrichtung des Kraftstoffs durch die Zulaufbohrung 35 ist
stets, wie durch den Pfeil in 2 angedeutet,
in Richtung des kleineren Bohrungsabschnitts 235. Der Hauptdurchflusswiderstand findet
an der Kante 39 statt, die zur Einstellung des gewünschten
Durchflusswiderstandes angepasst werden muss.
-
In 3 ist
der Prägevorgang
zur Einstellung des Durchflusswiderstandes illustriert. In den größeren Bohrungsabschnitt 135 ist
ein Prägewerkzeug 45 eingeführt, das
eine kegelförmige
Druckfläche 50 aufweist.
Das Prägewerkzeug 45 wird
mit der Druckfläche 50 gegen
die Kante 39 gepresst, sodass das Material in diesem Bereich
im wesentlichen radial nach außen
gedrückt
wird. Dadurch entsteht eine Erweiterung 40, die entsprechend
der Form der Druckfläche 50 ebenfalls
zumindest näherungsweise kegelförmig ausgebildet
ist. Dadurch sinkt der Durchflusswiderstand der Bohrung 35,
wobei der Prägevorgang
soweit fortgesetzt wird, bis die Erweiterung 40 die entsprechende
Form angenommen hat, um den Durchflusswiderstand in den gewünschten
Bereich zu bringen. Das Material wird im Bereich der Erweiterung 40 verfestigt
und verdichtet, sodass es eine höhere
Festigkeit aufweist und im späteren
Betrieb der Dosierungsvorrichtung verschleißfester ist, sich also durch
den durchströmenden
Kraftstoff oder eine andere Flüssigkeit
nicht oder nur in geringem Umfang ändert. Dadurch bleibt der Durchflusswiderstand
der Bohrung 35 mit guter Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer
des Einspritzventils 1 unverändert.
-
Die
erfindungsgemäße Bohrung 35 kann
außer
in einem Einspritzventil auch in anderen Vorrichtungen ausgebildet
sein, bei denen der Durchflusswiderstand einer Bohrung entscheidend
für die
Funktion ist. Weiter Beispiele wären
Kraftstoffpumpen, Dosierungsvorrichtungen verschiedenster Art, Zumessventile,
Hydraulikventile oder sonstiges Vorrichtungen, wie sie für die Dosierung
von Flüssigkeiten
verwendet werden können.