DE3536452A1

DE3536452A1 - Kraftstoff-einspritzduese fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3536452A1
Application number: DE19863536452
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Banzhaf; Ewald Dipl Ing Dr Eblen; Heinrich Dipl Phys Dr Faber; Juergen Dipl Ing Giersch; Karl Hofmann; Dieter Dipl Ing Liedtke; Helmut Norberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-08-10
Filing date: 1986-10-12
Publication date: 1987-02-19
Also published as: JP2545520B2; EP0233190B1; WO1987000889A1; EP0233190A1; JPS63500669A; DE3667704D1; US4801095A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoff-Einspritz düse für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Haupt anspruchs. Bei diesen Einspritzdüsen ist die Stirnkuppe des Düsenkörpers gehärtet, damit die innenliegende Ven tilsitzfläche der Schlagbeanspruchung durch die Ventil nadel standhält und der außenliegende Wandbereich gegen abrasiven Verschleiß durch die Gasströmung in der Brenn kammer geschützt ist. Nachteilig ist jedoch, daß dadurch und durch das Vorhandensein der Spritzlöcher im Bereich der Ventilsitzfläche oder im Bereich eines an die Ven tilsitzfläche anschließenden Sacklochs die Bruchfestig keit der Stirnkuppe des Düsenkörpers verringert wird. Diesem Nachteil kann durch eine entsprechende Bemessung der Wandstärke der Stirnkuppe nur teilweise begegnet wer den, weil dadurch auch die Länge der Spritzlöcher und da durch die Spritzstrahlausbildung entscheidend beeinflußt wird. Der Querschnitt und die Länge der Spritzlöcher sind durch Einspritzkenngrößen, wie Einspritzmenge, Kraftstoff zerstäubung und dergleichen in engen Grenzen festgelegt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor teil, daß die Stirnkuppe des Düsenkörpers insgesamt eine höhere Bruchfestigkeit als bei den bekannten Ausführungen erhalten kann, ohne daß die Ventilsitzfläche an Härte ver liert und ohne daß der Schutz des Außenwandbereichs der Stirnkuppe gegen abrasiven Verschleiß unzulässig stark vermindert wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.

Durch Versuche hat sich eine Ausführung als besonders zweck mäßig herausgestellt, bei welcher die Härte eines Außenwand bereichs der Stirnkuppe um mindestens 100 H V1, vorzugsweise um 150 H V1, geringer ist als die Härte des die Ventilsitz fläche bildenden Innenwandbereichs.

Die Festigkeit der Stirnkuppe läßt sich ohne jede Beein trächtigung der übrigen Eigenschaften der Stirnkuppe be sonders wirksam erhöhen, wenn erfindungsgemäß der zwischen der Ventilsitzfläche bzw. der Sacklochoberfläche und dem gegenüberliegenden Wandbereich liegende mittlere Wandbereich der Stirnkuppe eine geringere Härte als der Außenwandbe reich aufweist. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt mit Einspritzdüsen, bei welchen die Härte des mittleren Wandbereichs um mindestens 100 H V1 geringer ist als die Härte des Außenwandbereichs. Als optimal hat es sich heraus gestellt, wenn die Härte des mittleren Wandbereiches zwischen 400 H V1 und 550 H V1 liegt.

Die Düsenkörper von Einspritzdüsen werden im allgemeinen aus Einsatzstahl herausgestellt, der zum Zweck hoher Härte aufgekohlt wird. Die verminderte Härte des der Ventilsitz fläche bzw. der Sacklochoberfläche gegenüberliegenden Außen wandbereichs der Stirnkuppe kann dadurch erreicht werden, daß die Stirnkuppe außen nicht oder nur wenig aufgekohlt wird, so daß im einsatzgehärteten Zustand an der Kuppen außenseite ein ausreichendes elastisches Formänderungsver mögen erreicht wird. Vergleichsuntersuchungen haben ge zeigt, daß bereits dadurch das Festigkeitsverhalten der Stirnkuppe deutlich erhöht werden kann. Derselbe Erfolg läßt sich erzielen, wenn statt des Einsatzhärtens nitriert oder nitrocarburiert wird, wozu auch andere Stähle als Ein satzstähle, vorzugsweise legierte Vergütungsstähle oder Warmarbeitsstähle verwendet werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, vor dem Nitrieren oder Nitrocarburieren die Düse zu Vergüten.

Eine zusätzliche Absenkung der Härte im mittleren Bereich gegenüber der herkömmlichen Fertigung führt zu einer wei teren Verbesserung. Dies kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß die Wandstärke der Stirnkuppe zunächst größer als das Fertigmaß gewählt wird und daß erst nach dem Auf kohlen bzw. Nitrieren oder Nitrocarburieren der inneren und äußeren Wandbereiche der Stirnkuppe das Fertigmaß durch Abtragen einer Teilschicht des aufgekohlten bzw. nitrierten oder nitrocarburierten äußeren Wandbereichs hergestellt und dann erst gehärtet bzw. im Falle des Nitrierens oder Nitrocarburierens gegebenenfalls ein zweites Mal nitriert oder nitrocarburiert wird.

Die Bruchfestigkeit der Stirnkuppe läßt sich weiter er höhen, wenn die Spritzlöcher erst nach dem Aufkohlen bzw. Nitrieren bzw. Nitrocarburieren oder überhaupt erst nach dem Härten gebohrt werden, und wenn die Einlaufkanten der Spritzlöcher stärker abgerundet werden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den einspritzseitigen Endabschnitt des ersten Ausführungsbeispiels etwa im Maßstab 1 : 10,

Fig. 2 den Härteverlauf quer durch die Kuppenwand des Düsenkörpers der Einspritzdüse nach Fig. 1, und Fig. 3 das zweite Ausführungsbeispiel in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Einspritzdüse nach Fig. 1 hat einen Düsenkörper 10, in welchem eine Ventilnadel 12 verschiebbar gelagert ist. Diese hat eine kegelige Dichtfläche 14, die mit einer konischen Ventilsitzfläche 16 zusammenarbeitet, welche an einem Innenwandbereich 18 einer Stirnkuppe 20 des Düsen körpers 10 gebildet ist. Von der Ventilsitzfläche 16 gehen mehrere Spritzlöcher 22 aus, welche die Wand der Stirn kuppe 20 in einem Winkel zur Düsenachse durchstoßen.

Zwischen der Ventilnadel 12 und einer zylindrischen Innen wand des Düsenkörpers 10 ist ein Ringraum 24 gebildet, in welchen eine nicht dargestellte Kraftstoffzuleitung ein mündet. Die Ventilnadel 12 ist von einer ebenfalls nicht dargestellten Schließfeder gegen die Ventilsitzfläche 16 gepreßt. Wenn der Kraftstoffdruck im Ringraum 24 auf einen vorgegebenen Wert angestiegen ist, wird die Ventil nadel 12 entgegen der Kraft der Schließfeder angehoben und der Kraftstoff durch die Spritzlöcher 22 ausgespritzt. Der Kegelwinkel der Dichtfläche 14 an der Ventilnadel 12 kann etwas größer gewählt sein als der Winkel der Ventil sitzfläche 16, so daß sich anfangs an der oberen Kante 26 der Dichtfläche 14 die höchste Dichtpreßkraft ergibt.

Im Betrieb der Einspritzdüse wird die Ventilsitzfläche 16 sehr hoch beansprucht. Der die Ventilsitzfläche 16 aufweisende Innenwandbereich 18 der Stirnkuppe 20 ist daher wie üblich durch ein geeignetes Verfahren so be handelt, daß er eine Härte von etwa 750 H V1 aufweist. Beim Aufschlagen der Ventilnadel 12 auf die Stirnkuppe 20 treten jedoch auch erhebliche Radialkräfte auf, welche eine Sprengwirkung auf die Stirnkuppe 20 ausüben. Diesen Kräften kann durch eine entsprechende Bemessung der Wand stärke der Stirnkuppe 20 nur begrenzt Rechnung getragen werden, weil dadurch auch die Länge der Spritzlöcher 22 beeinflußt wird, die wiederum auf andere Kenngrößen des Einspritzverlaufes, wie Strahlform, Einspritzdruck, Ein spritzmenge usw. abgestimmt werden muß.

Um die Bruchfestigkeit der Stirnkuppe 20 zu erhöhen, sind erfindungsgemäß der mittlere Wandbereich 28 und der Außen wandbereich 30 der Stirnkuppe 20 mit einer geringeren Härte als der Innenwandbereich 18 versehen. In Fig. 2 ist mit einem vollen Linienzug a der Härteverlauf entlang einer Querschnittslinie durch die Stirnkuppe 20 dargestellt, wo bei auf der Abszisse die Entfernung von der Ventilsitz fläche 16 und auf der Ordinate die Härte in H V1 aufgetragen ist. Zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Härteverlauf a ist in Fig. 2 durch einen gestrichelten Linienzug b auch der Härteverlauf bei einer herkömmlichen Einspritzdüse dar gestellt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sinkt die Härte im mittleren Wandbereich 28 bis auf ca. 470 H V1 ab und steigt im Außenwandbereich 30 wieder bis auf ca. 600 H V1 an. Ver gleichsuntersuchungen haben gezeigt, daß die erfindungs gemäße Einspritzdüse wegen der wesentlich geringeren Härte im äußeren Wandbereich eine höhere Dauerfestigkeit als eine herkömmliche Einspritzdüse hat und daher höher als eine solche beansprucht werden kann.

Als Ausgangsteil für das Härten wurde beispielsweise ein aus Einsatzstahl bestehender Düsenkörper verwendet, der noch nicht mit den Spritzlöchern 22 versehen war und dessen Stirnkuppe 20 eine das Fertigmaß um einen be stimmten Betrag übersteigende Wandstärke hatte. Nach dem Aufkohlen und Härten wurden die Spritzlöcher 22 in die Stirnkuppe 20 eingearbeitet und diese durch Abtragen des Übermaßes an der äußeren Mantelfläche auf die vor geschriebene Wandstärke des verbleibenden Außenwandbe reiches 30 geringer als die Härte des Innenwandbe reiches 18 ist.

Eine weitere Fertigungsmöglichkeit besteht darin, die Spritzlöcher bei vergrößerter Wandstärke zu bohren und nach dem Aufkohlen bzw. Nitrieren oder Nitrocarburieren die Kuppenaußenseite und damit die Einsatzschicht bzw. Nitrier- oder Nitrocarburierschicht abzudrehen bzw. ab zuschleifen. Bei diesem Verfahren sind die Spritzlöcher durchgehend gehärtet.

Eine andere Möglichkeit, die Härte des Außenwandbereichs 30 der Stirnkuppe 20 gegenüber dem Innenwandbereich 18 zu vermindern, besteht wie schon erwähnt darin, daß die Stirnkuppe beim Aufkohlen bzw. Nitrieren oder Nitrocar burieren und Härten bereits das Fertigmaß hat, daß je doch der Außenwandbereich 30 nicht oder nur geringfügig aufgekohlt bzw. nitriert oder nitrocarburiert wird. Da bei kann sich ein Härteverlauf ergeben, der von innen nach außen betrachtet zunächst in etwa dem herkömmlichen Verlauf b und danach den strichpunktierten Linie c in Fig. 2 folgt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von jenem nach Fig. 1 dadurch, daß die Spritzlöcher 22 nicht von der Ventilsitzfläche, sondern von einem in der Stirnkuppe 20 a gebildeten Sackloch 32 ausgehen. Zwischen der Stirnkuppe 20 a und dem Schaft weist der Düsenkörper 10 a einen Übergangsabschnitt 34 auf, der außen durch eine Kegelmantelfläche 36 begrenzt ist. Diese geht an einem Kehlenradius 38 in einen Außenwandbereich 40 der Stirn kuppe 20 a über, welcher einem das Sackloch 32 umschließen den Innenwandbereich 42 gegenüberliegt.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 weist der durch die Kegel mantelfläche 36 und den Kehlenradius 38 begrenzte Außen wandbereich 44 und der dem Sackloch 32 gegenüberliegende Außenwandbereich 40 der Stirnkuppe 20 a eine ge ringere Härte als der die Ventilsitzfläche bildende Innen wandbereich 18 a und der das Sackloch 32 umgebende Innen wandbereich 42 auf. Der mittlere Wandbereich 28 a der Stirn kuppe 20 a kann wie beim ersten Ausführungsbeispiel vorteil haft eine geringere Härte als die Außenwandbereiche 40, 44 haben.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper, in welchem eine Ventilnadel mit kegeliger Dichtfläche verschiebbar gelagert ist, die mit einer ko nischen Ventilsitzfläche zusammenarbeitet, welche an einem Innenwandbereich einer Stirnkuppe des Düsenkörpers gebildet ist, in der mindestens ein Spritzloch vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Außenwand bereich (30, 40, 44) der Stirnkuppe (20, 20 a) eine geringere Härte aufweist als deren die Ventilsitzfläche (16, 16 a) bildender Innenwandbereich (18, 18 a).

2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ventilsitzfläche (16, 16 a) gegenüberliegende Außenwandbereich (30, 44) eine geringere Härte aufweist als deren die Ventilsitzfläche (16, 16 a) bildender Innen wandbereich (18, 18 a).

3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, mit einem an die Ventilsitzfläche anschließenden Sackloch, von welchem mindestens ein Spritzloch ausgeht, dadurch gekennzeich net, daß der dem Sackloch (32) gegenüberliegende Außen wandbereich (40) der Stirnkuppe (20 a) eine geringere Härte aufweist als deren die Ventilsitzfläche (16 a) bildende und das Sackloch (32) umgebende Innenwandbereich (18 a, 42).

4. Einspritzdüse nach Anspruch 3, mit einem Düsenkörper, dessen Stirnkuppe über einen Kehlenradius (38 in Fig. 3) in den Düsenschaft übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß auch der vom Kehlenradius (38) begrenzte äußere Wandbe reich (44) des Düsenkörpers (10 a) eine geringere Härte aufweist als der die Ventilsitzfläche (16 a) bildende und das Sackloch (32) umgebende Innenwandbereich (18 a, 42) der Stirnkuppe (20 a).

5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, mit einem Düsenkörper, dessen Stirnkuppe über einen außen von einer Kegelmantel fläche begrenzten Übergangsabschnitt mit dem Düsenschaft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Kegelmantelfläche (36) und vom Kehlenradius (38) be grenzte Außenwandbereich (44) der Stirnkuppe (20 a) bzw. des Düsenkörpers (10 a) eine geringere Härte aufweist als der die Ventilsitzfläche (16 a) bildende und das Sackloch (32) umgebende Innenwandbereich (18 a, 42) der Stirnkuppe (20 a).

6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des einen Außenwandbereiches (30 bzw. 40, 44) der Stirnkuppe (20 bzw. 20 a) um mindestens 100 H V1, vorzugsweise um 150 HV1, geringer ist als die Härte des die Ventilsitzfläche (16 bzw. 16 a) bildenden Innenwand bereiches (18 bzw. 18 a).

7. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der zwischen der Ventilsitzfläche (16 bzw. 16 a), und dem gegenüberliegenden Außenwandbereich (30 bzw. 44) liegende mittlere Wandbereich (28 bzw. 28 a) bzw. der zwischen dem Sackloch (32) und dem gegenüberliegen den Außenwandbereich (40) liegende mittlere Wandbereich (28 a) der Stirnkuppe (20 bzw. 20 a) eine geringere Härte als der Außenwandbereich (30 bzw. 40, 44) aufweist.

8. Einspritzdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des mittleren Wandbereichs (28 bzw. 28 a) der Stirnkuppe (20 bzw. 20 a) um mindestens 100 H V1 geringer ist als die Härte des Außenwandbereichs (30 bzw. 40, 44).

9. EinsPritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des mittleren Wandbe reichs (28 bzw. 28 a) der Stirnkuppe (20 bzw. 20 a) zwischen 400 H V1 und 550 H V1 liegt.

10. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fertigmaß der Wandstärke der Stirnkuppe (20 bzw. 20 a) durch teilweises Abtragen des äußeren Wandbereichs (30 bzw. 40, 44) nach der Randschichthärtung her gestellt ist.

11. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fertigmaß der Wandstärke der Stirn kuppe (20 bzw. 20 a) durch teilweises Abtragen des äußeren Wandbereichs (30 bzw. 40, 44) nach dem Aufkohlen, jedoch vor dem Härten bzw. nach dem Vergüten und Nitrieren oder Nitro carburieren, hergestellt ist.

12. Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Spritzlöcher (22) erst nach der Randschichthärtung bzw. dem Nitrieren oder Nitrocarburieren in die Stirnkuppe (20 bzw. 20 a) eingear beitet sind.

13. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Spritzlöcher (22) nach dem Aufkohlen, jedoch vor dem Härten bzw. nach dem Nitrieren oder Nitrocarburieren der Stirnkuppe (20 bzw. 20 a), in diese ein gearbeitet sind.

14. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das bzw. die Spritzlöcher (22) von der konischen Ventilsitzfläche (16) ausgehen.

15. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das bzw. die Spritzlöcher (22) vom Sackloch (32) ausgehen.