EP1799994A1 - Kraftstoffinjektor mit formgeprägtem ventilsitz zur reduzierung der ankerhubdrift - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit formgeprägtem ventilsitz zur reduzierung der ankerhubdrift

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EP1799994A1
EP1799994A1 EP05804893A EP05804893A EP1799994A1 EP 1799994 A1 EP1799994 A1 EP 1799994A1 EP 05804893 A EP05804893 A EP 05804893A EP 05804893 A EP05804893 A EP 05804893A EP 1799994 A1 EP1799994 A1 EP 1799994A1
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EP
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valve seat
valve
fuel injector
closing
closing element
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Axel Schnaufer
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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 fed to the individual combustion chambers of the internal combustion engine via fuel injectors with a 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 valve piece is received in the housing of the fuel injector, in which an outlet throttle is made ⁇ forms, 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 locking element is placed in the conical valve seat.
  • the closing element of the control valve In order to achieve the high opening and closing speeds of the fuel injector required for the operation of an internal combustion engine, the closing element of the control valve is placed in its seat at high speed or removed from it. This constant switching of the closing element leads to wear of the valve seat. This wear results in a Ankerhubdrift. This means that the path traveled by the closing element for closing the outlet throttle increases due to the 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 ⁇ fmungs- and closing times of the control valve and thus longer opening times of the injection port, 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.
  • valve seat In order to reduce the wear of the valve seat and thus to reduce the anchor stroke drift, in the method according to the invention for producing a fuel injector for an internal combustion engine with a control valve which releases or closes an outlet throttle from a control chamber and in which the drain valve is closed sel a closing element is placed in a valve seat, the valve seat formed by stamping with an embossing die. This avoids that the valve seat wears plastic during operation of the fuel injector.
  • the embossing die with which the valve seat is shaped in shape, is designed in the form of the closing element.
  • the embossing punch is preferably in the form of a ball with tangen ⁇ tial grown therefrom truncated cone.
  • the truncated cone has an opening angle that 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 increase 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. This leads to the fact that the fuel volume flow flowing out of the control chamber is reduced and thus 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 stamping die consists 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.
  • the valve seat is formed by stamping.
  • valve seat of the control valve is formed cone-shaped.
  • 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
  • FIG. 1.1 detail A from FIG. 1,
  • FIG. 2 shows a cone-shaped valve seat on which an embossing stamp acts
  • FIG. 4 shows a contour plot of a cone-shaped, stamped valve seat in a first embodiment
  • FIG. 5 shows a contour plot of a cone-shaped, stamped valve seat in a second embodiment.
  • 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 -A- 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 Einspritzöffhung 7.
  • a spring element 9 designed as a compression spring acts on the nozzle needle 6.
  • the spring element 9 designed as a compression spring is preferably a helical spring. In the embodiment illustrated in FIG. 1, this surrounds the pressure pin 5 of the nozzle needle 6 and the part of the valve piston 3 facing the nozzle needle 6. To this end, the spring element 9 is accommodated 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 in which the fuel is cleaned by particles contained therein, is received in the connecting piece 13, in order 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 istsva ⁇ variant illustrated 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 piece 24 is inserted into the injector body 2, in which the control space 18 together with inlet throttle 19 and outlet throttle 20 are formed. Furthermore, in the valve piece 24, a bore 25 is executed, in which the valve piston 3 is guided.
  • FIG. 1.1 shows the detail A from FIG. 1.
  • FIG. 1.1 shows the valve piston 3 in its upper position, that is to say with the injection opening 7 open.
  • 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 in a cone-shaped manner towards the closing element 22.
  • 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 connection 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 ver ⁇ connected via a piston 29 with an armature of the solenoid valve 23. When using a piezoelectric actuator instead of the solenoid valve 23, the piezoactuator acts directly on the piston 29.
  • the valve seat 26 in the fuel injector according to the invention dimensionally shaped.
  • 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. From the Materialver ⁇ consolidation results in a further reduction of wear. Also roughness peaks, which arise due to production, are smoothed.
  • valve seat 26 anticipates seat wear and thus minimizes wear between the valve seat 26 and the closing element 22 during operation. As a result, the increase in the pilot injection quantity due to the increased anchor stroke during operation of the fuel injector 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 punch 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.
  • the embossing punch 30 in the case of a valve with a spherical closing element 22 and a conical valve seat 26 is in the form of a cone with a truncated cone tangential therefrom 31 formed.
  • the conical stump 31 prevents an elevation from forming along the spherical shape in that the material is embossed by the shape of the truncated cone 31 along the direction of the valve seat 26, which is in the form of a cone. 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.
  • 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 course of combustion in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the truncated cone 31 preferably has an opening angle oii, which is greater than the opening angle ⁇ 2 of the valve seat 26.
  • opening angle oii 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 the direction of Outflow 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 Kraftstoffströ ⁇ determination.
  • the opening angle oii is 0 to 10 degrees greater than the opening angle ⁇ 2 of the valve seat 26.
  • a larger opening angle oii 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.
  • the closure member 22 in addition to the spherical shape, for example, in the form of a paraboloid or a cylinder can be formed with conical shaped valve seat 26th
  • 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 Ol - 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 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 and closing paths of the closing element 22, the wear depth 37 leads to a significantly extended 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 contour plot of a cone-shaped valve seat in which the valve seat is shaped by means of a spherical die.
  • FIG. 4 shows 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 stamping stamp, the 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. By embossing the valve seat 26, the material is fastened ver ⁇ in the region of the valve seat 26.
  • FIG. 5 shows the end face 32 of the valve piece 24 with the valve seat 26 embossed therein when a spherical die is used in which a truncated cone grows tangentially out of the ball. Even when using such an embossing die shows that the roughness of the surface 35 is lower before the first closing of the control valve than in a non-embossed valve seat 26. Due to the conical approach on recuperge ⁇ stamp 30 creates only a slight elevation 40 on the outlet throttle 20 facing side of the valve seat 26.

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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

Kraftstoffinjektor mit formgeprägtem Ventilsitz zur Reduzierung der Ankerhubdrift
Technisches Gebiet
Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung wird der Kraftstoff den einzel¬ nen 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
Bei Kraftstoffinjektoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist im Gehäuse des Kraftstoffinjektors ein Ventilstück aufgenommen, in welchem eine Ablaufdrossel ausge¬ bildet 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 Ablauf¬ drossel 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 geho¬ ben. Dieses ständige Schalten des Schließelements führt zu einem Verschleiß des Ventilsit¬ zes. Aus diesem Verschleiß resultiert eine Ankerhubdrift. Das heißt, dass sich der Weg, den das Schließelement zum Verschließen der Ablaufdrossel zurücklegt, aufgrund des Ver- schleißes 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 Öfmungs- und Schließzeiten des Steuerventils und damit längere Öffnungszeiten der Einspritzöffnung, woraus wiederum höhere Einspritzmengen resultieren. Diese größeren Einspritzmengen an Kraftstoff in die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine fuhren zu höheren Motor¬ emissionen und höheren Verbrennungsgeräuschen.
Darstellung der Erfindung
Zur Verringerung des Verschleißes des Ventilsitzes und damit zur Reduktion der Anker¬ hubdrift wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjek- tors für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuerventil, das eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum freigibt oder verschließt, und bei dem zum Verschließen der Ablaufdros¬ sel 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Prägestempel, mit dem der Ventilsitz form¬ geprägt wird, in Form des Schließelementes ausgebildet.
Bei Verwendung eines kugelförmigen Schließelementes, welches in einen kegelförmigen Ventilsitz gestellt wird, ist der Prägestempel vorzugsweise in Form einer Kugel mit tangen¬ tial daraus erwachsendem Kegelstumpf ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausiüh- rungsform 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 zuge- wandten 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 Öff¬ nungsgeschwindigkeit der Einspritzöffnungen ebenialls 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 Prä¬ gestempel aus einem Hartmetall. Dem Fachmann bekannte Hartmetalle sind zum Beispiel Sinterwerkstoffe aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Molybdäncarbid und Co- balt. Das Hartmetall weist vorzugsweise eine Härte im Bereich von 1300-1800 HV30 auf.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektor für eine Verbrennungskraftma¬ schine mit einem Steuerventil, das eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum freigibt oder verschließt, wobei zum Verschließen der Ablaufdrossel ein Schließelement in einen Ventil¬ sitz gestellt wird, ist der Ventilsitz durch Formprägen ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitz des Steuerventils kegelförmig aus- gebildet. 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, wel¬ ches 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 Ven¬ tilsitzes in einer ersten Ausführungsform,
Figur 5 einen Konturschrieb eines kegelförmig ausgebildeten, formgeprägten Ven¬ tilsitzes 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 ge¬ führt ist. Der Ventilkolben 3 wirkt mit einer Stirnseite 4 auf einen Druckbolzen 5, welcher -A- an einer Düsennadel 6 ausgebildet ist. Auf der einem hier nicht dargestellten Brennraum zugewandten Seite ist im Injektorkörper 2 mindestens eine Einspritzöffhung 7 ausgebildet. Bei verschlossener Einspritzöffhung 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 Einspritzöffhung 7 verschlossen. Zusätz¬ lich zur Druckkraft des Ventilkolbens 3 auf den Druckbolzen 5 wirkt ein als Druckfeder ausgebildetes Federelement 9 auf die Düsennadel 6. Das als Druckfeder ausgebildete Feder¬ element 9 ist vorzugsweise eine Spiralfeder. Diese umschließt in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform den Druckbolzen 5 der Düsennadel 6 und den der Düsennadel 6 zuge- wandten 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 Anschlussstut¬ zen 13 ist ein Kraftstofffilter 14 aufgenommen, in welchem der Kraftstoff von darin enthal¬ tenen 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 Kraft- Stoff 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 Zulauf- drossel 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 Steuer- räum 18 begrenzt, als der in entgegengesetzter Richtung weisenden Flächen des Ventilkol¬ bens 3, ist die Druckkraft, die in Richtung der mindestens einen Einspritzdüse 7 wirkt, grö¬ ßer 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. So- bald 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 min¬ destens 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 Ausführungsva¬ riante 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 Injek¬ torkörper 2 ein Ventilstück 24 eingesetzt, in welchem der Steuerraum 18 samt Zulaufdros- sei 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 Ein¬ spritzöffnung 7. Zum Verschließen der Einspritzöffnung 7 wird die Ablaufdrossel 20 ver¬ schlossen. 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 darge- stellten Ausführungsform öffnet sich dazu die Ablaufdrossel 20 kegelförmig zum Schlie߬ element 22 hin. Durch Verschließen der Ablaufdrossel 20 wird die Verbindung zum Nieder¬ druckteil 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 Ver¬ bindung steht, wird die Düsennadel 6 ebenfalls in Richtung der mindestens einen Einspritz- Öffnung 7 bewegt und verschließt diese. Das Schließelement 22 ist über einen Kolben 29 mit einem Anker des Magnetventils 23 ver¬ bunden. Bei Verwendung eines Piezoaktors anstelle des Magnetventils 23 wirkt der Piezo- aktor direkt auf den Kolben 29.
Um zu vermeiden, dass sich der Ventilsitz aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, mit de¬ nen das Schließelement 22 in diesen gestellt wird, verschleißt, woraus ein größerer Anker¬ hub und damit eine größerer Schließzeit resultiert, wird der Ventilsitz 26 bei dem erfin¬ dungsgemäßen 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 Materialver¬ festigung resultiert eine weitere Reduzierung des Verschleißes. Auch werden Rauig- keitsspitzen, 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 Be¬ triebes minimiert. Hierdurch kann die Zunahme der Voreinspritzmenge aufgrund der wäh- rend 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 Verbrennungs¬ kraftmaschine.
Zum Formprägen des Ventilsitzes 26 wird zum Beispiel ein Prägestempel aus einem Hart¬ metall 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 Ventilsit¬ zes 26 beim Formprägen eine Erhebung ausbildet, ist bei einem Ventil mit kugelförmigem Schließelement 22 und kegelförmigem Ventilsitz 26 der Prägestempel 30 in Form einer Ku¬ gel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf 31 ausgebildet. Durch den Kegel- stumpf 31 wird verhindert, dass sich eine Erhebung entlang der Kugelform ausbildet, indem das Material durch die Form des Kegelstumpfes 31 entlang der Richtung des ebeniälls ke¬ gelförmig 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 Dü¬ sennadel 6. Hieraus resultiert weiterhin ein verändertes Einspritzverhalten, was den Verbrennungsverlauf im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen kann.
Der Kegelstumpf 31 weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel oii auf, der größer ist als der Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26. Bei gleichem Öffnungswinkel oii 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 Öff- nungswinkel ändert. Dieser Grat führt zu einer negativen Beeinflussung der Kraftstoffströ¬ mung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Öffnungswinkel oii um 0 bis 10 Grad größer als der Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26. Ein größerer Öffnungswinkel oii des Kegel- stumpfes 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 Schlie߬ elementes 22 ausgebildet ist, vorzugsweise mit einem Kegelstumpf 31 versehen, dessen Öff¬ nungswinkel (Xi größer ist als der Öffnungswinkel α2 des Ventilsitzes 26. So kann bei kegel- förmigem 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 Ventil- sitzes 26 ist.
Als Material für den Prägestempel eignet sich jedes Material, welches härter ist als das Ma¬ terial, aus welchem der Ventilsitz 26 gefertigt ist. Besonders geeignet als Material für den Prägestempel 30 sind zum Beispiel Hartmetalle, die aus der Gruppe der Hartmetalle K Ol - K 40 ausgewählt sind. Die Härte dieser Hartmetalle beträgt je nach Zusammensetzung 1300-1800 HV 30. Die Hartmetalle sind dabei Sinterwerkstoffe aus Wolframcarbid, Titan- carbid, 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 Bezugs¬ zeichen 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 Ven¬ tilstückes 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 Öffhungs- beziehungsweise Schließwege des Schließelementes 22 führt die Verschleißtiefe 37 zu einem deutlich verlän¬ gerten Schließweg zum Verschließen des Steuerventils. Dies führt ebenfalls zu einem lang¬ sameren Verschließen der Einspritzöffnung 7 und damit zu einer größeren Kraftstoffmenge, die in den Brennraum eingespritzt wird. Dies führt zu höheren Motoremissionen und höhe¬ ren 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 Prä¬ gestempels 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 ver¬ festigt. Diese Materialverfestigung sowie die größere Auflagefläche des Schließelementes 22 im Ventilsitz 26 führen dazu, dass sich auch nach einer großen Anzahl an Öffhungs- 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 Präge¬ stempel 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 Ku- gel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf 31 entsteht nach einer großen Anzahl von Öffhungs- 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.
Bezueszeichenliste
1 Kraftstoffinjektor 36 Vertiefung
2 Injektorkörper 37 Verschleißtiefe
3 Ventilkolben 38 Sitzbreite
4 Stirnseite 39 Prägetiefe
5 Druckbolzen 40 Erhebung
6 Düsennadel
7 Einspritzöffnung (Xi Öffnungswinkel des Kegelstumpfes 3
8 Sitz Öffnungswinkel des Ventilsitzes 26
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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors (1) für eine Verbrennungskraftma¬ schine mit einem Steuerventil, das eine Ablaufdrossel (20) aus einem Steuerraum (18) freigibt oder verschließt, wobei zum Verschließen der Ablaufdrossel (20) ein Schlie߬ element (22) in einen Ventilsitz (26) gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (26) durch Formprägen mit einem Prägestempel (30) ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägestempel (30) in Form des Schließelementes (22) ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägestempel (30) in Form einer Kugel mit tangential daraus erwachsendem Kegelstumpf (31) ausgebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelstumpf (31) einen Öffnungswinkel ((X1) aufweist, der größer oder gleich dem Öfmungswinkel (α2) des ke¬ gelförmig ausgebildeten Ventilsitzes (26) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober¬ fläche des Prägestempels (30) aus einem Hartmetall besteht.
6. Kraftstoffinjektor 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (26) durch Formprägen aus¬ gebildet ist.
7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (26) kegelförmig ausgebildet ist.
8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlie߬ element (22) kugelförmig ausgebildet ist.
9. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (26) in einem Ventilstück (24) ausgebildet ist.
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