EP3475555B1 - Düsenkörper für einen kraftstoffinjektor - Google Patents

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EP3475555B1
EP3475555B1 EP17731874.8A EP17731874A EP3475555B1 EP 3475555 B1 EP3475555 B1 EP 3475555B1 EP 17731874 A EP17731874 A EP 17731874A EP 3475555 B1 EP3475555 B1 EP 3475555B1
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EP
European Patent Office
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nozzle body
nozzle
cooling
kidney
matrix
Prior art date
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Active
Application number
EP17731874.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3475555A1 (de
Inventor
Walter Walkner
Arno Seiringer
Heinrich Werger
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Application granted granted Critical
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M53/00—Fuel-injection apparatus characterised by having heating, cooling or thermally-insulating means
    • F02M53/04—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means
    • F02M53/043—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means with cooling means other than air cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K21/00—Making hollow articles not covered by a single preceding sub-group
    • B21K21/08—Shaping hollow articles with different cross-section in longitudinal direction, e.g. nozzles, spark-plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1866—Valve seats or member ends having multiple cones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2700/00—Supplying, feeding or preparing air, fuel, fuel air mixtures or auxiliary fluids for a combustion engine; Use of exhaust gas; Compressors for piston engines
    • F02M2700/07—Nozzles and injectors with controllable fuel supply
    • F02M2700/077—Injectors having cooling or heating means

Definitions

  • the invention relates to a nozzle body for a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine, the nozzle body having cooling channels.
  • a nozzle body for a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 is from EP 1 781 931 B1 known.
  • the known fuel injector comprises a holding body, a valve body with a throttle plate and a nozzle body. The holding body and the nozzle body are clamped together by a nozzle clamping nut.
  • a pressure chamber is formed in the nozzle body and can be supplied with fuel under pressure via an inlet bore.
  • a longitudinally movable nozzle needle that releases or closes at least one injection opening is arranged so as to be longitudinally movable in the pressure chamber.
  • the known fuel injector has cooling channels formed in the nozzle body. Disclosed about the design and manufacture of these cooling channels EP 1 781 931 B1 but nothing.
  • a fuel injector with a cooling arrangement which comprises an annular chamber with an inner and an outer coolant space.
  • a coolable injection nozzle for a direct injection engine is known, in which a nozzle holder a circulation channel has in the form of a cylindrical annular space.
  • injectors or fuel injectors are known which have cooling channels.
  • the nozzle body according to the invention for a fuel injector has cooling channels which are optimized in terms of their cooling effect. Nevertheless, the nozzle body is designed in one piece, so that there is no need for complex manufacturing techniques and seals. Furthermore, the structural weakening of the nozzle body by the cooling channels is only marginal.
  • a pressure chamber is formed in the nozzle body, which can be supplied with fuel under high pressure via an inlet bore.
  • a nozzle needle that releases or closes at least one injection opening is arranged to be longitudinally movable in the pressure chamber.
  • the at least one injection opening is formed in a nozzle tip of the nozzle body.
  • Cooling channels through which cooling medium can flow are formed in the nozzle body.
  • the cooling channels comprise a cooling matrix formed in the nozzle tip.
  • the nozzle body is still made in one piece.
  • the cooling matrix has the largest possible total area that is effective for cooling, so that the heat input from the nozzle tip into the cooling medium is very large and the cooling of the nozzle body is therefore particularly effective.
  • the cooling channels, in particular the cooling matrix are produced using 3D printing processes. With other manufacturing processes, for example conventional turning and drilling technology, the geometry of the cooling matrix cannot be manufactured in a one-piece nozzle body. Complex replacement measures such as welding or sealing plugs can therefore be dispensed with. The associated connection problems such as insufficient tightness or reduced strength are eliminated.
  • the cooling matrix is designed in the form of a fence, meander or helix.
  • the entire convection surface of the cooling matrix that is to say the separating surface between the nozzle body and the cooling matrix, can be made very large.
  • a large flow of heat from the nozzle tip into the Cooling medium is the result.
  • the cooling of the nozzle body is particularly effective as a result.
  • the flow through the cooling matrix is also designed in a particularly defined manner; there is no risk of the cooling medium standing in local areas and not flowing.
  • the cooling matrix is designed in the shape of a ring cylinder.
  • the nozzle body can be made very compact in its axial dimensions.
  • the cooling matrix is penetrated by material pores of the nozzle tip. This allows the entire convection surface to be enlarged again.
  • the heat exchange between the nozzle tip and the cooling medium is further optimized.
  • the cooling channels comprise an elongated inlet channel and an elongated outlet channel for supplying and removing cooling medium into and out of the cooling matrix.
  • the nozzle tip is the hottest area of the nozzle body and the cooling matrix is arranged in this.
  • the supply and discharge of the cooling medium into and out of the nozzle body takes place on the face of the nozzle body opposite the nozzle tip.
  • the elongated inlet or outlet channel is therefore a fluidically favorable design in order to hydraulically connect the cooling matrix to the supply of cooling medium.
  • the cooling channels have an inlet kidney and an outlet kidney.
  • the inlet kidney and the outlet kidney are formed on an end face of the nozzle body opposite the nozzle tip.
  • the inlet kidney merges into the inlet channel and the outlet kidney merges into the outlet channel.
  • the nozzle body can be braced on the end face with a further component, for example a holding body or a throttle plate, the connection of the cooling channels not having to be subject to tight tolerances.
  • the inlet kidney and the outlet kidney are the hydraulic connection of the cooling channels to the adjacent component. Due to the comparatively large areas of the two kidneys, have Dimensional deviations from the connection geometries have no adverse effects on the flow through the cooling channels.
  • the nozzle body has a convection area, the convection area having a greater thermal conductivity than the remaining area of the nozzle body.
  • the amount of heat transported through the convection area is therefore particularly large.
  • main heat flows can thus be advantageously arranged, for example from the injection openings to the cooling matrix.
  • Copper for example, can be used as a particularly thermally conductive material for the convection area. Due to the 3D printing process, there is still a firm material connection to the other areas of the nozzle body.
  • the nozzle body according to the invention is used particularly advantageously in a fuel injector.
  • the fuel injector has a control valve for controlling the pressure of a control chamber.
  • the control space is limited by the nozzle needle.
  • the opening and closing movements of the nozzle needle are therefore controlled by the pressure in the control chamber, which in turn is controlled by the control valve.
  • the fuel injector for injecting fuel under high pressure into the combustion chamber of an internal combustion engine is exposed to particularly high temperatures; this applies in particular to the nozzle tip on which the injection openings are formed in the combustion chamber.
  • the cooling of the nozzle tip via the cooling matrix is therefore particularly important and particularly effective for such fuel injectors.
  • the manufacturing process of the nozzle body according to the invention is a 3D printing process, since this is the only way to realize the complex geometry of the cooling matrix in a one-piece nozzle body. Sealing plugs, other components, weld seams, sealing agents and similar circumvention measures are no longer necessary.
  • a base body of the nozzle body is first manufactured, preferably by forging or casting.
  • partial geometries of the Cooling channels be designed, for example as a longitudinal section of bores or as a half-model.
  • the remaining material surrounding the cooling channels is then applied using 3D printing. If necessary, convection areas with a particularly thermally conductive material can then also be applied by 3D printing.
  • Fig.1 shows a fuel injector 100 for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine in longitudinal section, as is known from the prior art.
  • the known fuel injector 100 comprises a holding body 1, a valve body 3, a throttle plate 5 and a nozzle body 16. All of these components are held together by a nozzle clamping nut 7.
  • the nozzle body 16 here contains a nozzle needle 6, which is arranged in a pressure chamber 8 formed in the nozzle body 16 so as to be longitudinally displaceable. When the nozzle needle 6 is opened, fuel is supplied via several im Injection openings 60 formed by nozzle body 16 are injected into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a collar on which a compression spring 61 is supported can be seen on the nozzle needle 6.
  • the other end of the compression spring 61 is supported on a control sleeve 62, which in turn rests against the underside of the throttle plate 5.
  • the control sleeve 62 defines a control chamber 63 with the upper end face of the nozzle needle 6 opposite the injection openings 60 and with the underside of the throttle plate 5.
  • the pressure in the control chamber 63 is decisive for controlling the longitudinal movement of the nozzle needle 6.
  • An inlet bore 64 is formed in the fuel injector 100. Via the inlet bore 64, the fuel pressure becomes effective on the one hand in the pressure chamber 8, where it exerts a force in the opening direction of the nozzle needle 6 via a pressure shoulder of the nozzle needle 6. On the other hand, this fuel pressure acts via an inlet throttle 65 formed in the control sleeve 62 in the control chamber 63 and, supported by the force of the compression spring 61, holds the nozzle needle 6 in its closed position.
  • the fuel injector 100 also has a control valve 2 for controlling the pressure in the control chamber 63:
  • a magnet armature 71 and a valve needle 72 connected to the magnet armature 71 are lifted from a valve seat 73 formed on the valve body 3.
  • the fuel from the control chamber 63 can flow out through an outlet throttle 75 formed in the throttle plate 5 via the valve seat 73 into an outlet channel 76.
  • the lowering of the hydraulic force on the upper end face of the nozzle needle 6 caused in this way leads to the nozzle needle 6 opening.
  • the fuel from the pressure chamber 8 thus passes through the injection openings 60 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the nozzle needle 6 is displaced in the direction of the injection openings 60 and closes them. The injection process is then ended.
  • cooling channels 30 are formed in the valve body 3, throttle plate 5 and nozzle body 16 of the known fuel injector 100.
  • the tip of the nozzle needle 6 and the nozzle body 16 can be cooled.
  • the cooling channels 30 lie partially in the inlet bore 64. However, this is only due to the sectional illustration; in the embodiments, the cooling channels 30 are separated from the inlet bore 64.
  • the cooling channels 30 are now formed in a one-piece 3D-printed nozzle body 16.
  • the cooling channels 30 are now formed in a one-piece 3D-printed nozzle body 16.
  • Fig. 2 shows a nozzle body 16 produced in a 3D printing process in a perspective transparent view.
  • the inlet bore 64 into the pressure chamber 8 is not shown here.
  • the pressure chamber 8 and the injection openings 60 are formed in the nozzle body 16.
  • the cooling channels 30 are designed in such a way that they have a very large area relative to the nozzle body 16 in the region of the nozzle tip 16 a of the nozzle body 16, that is to say near the injection openings 60.
  • the cooling channels 30 include an inlet kidney 33 and an outlet kidney 34 for connection to the component adjacent to the nozzle body 16, for example the throttle plate 5 or the holding body 1, depending on the design of the fuel injector 100 Holding body 1 formed.
  • the cooling channels 30 further include an elongated inlet channel 31, an elongated outlet channel 32 and a cooling matrix 35.
  • the cooling matrix 35 is preferably provided with a large total area for effective cooling of the nozzle tip 16a, so that the greatest possible heat transfer from the nozzle tip 16a, which is very hot during operation, is provided the cooling channels 30 cooling medium flowing through can take place.
  • the cooling matrix 35 preferably also extends over the entire circumference of the nozzle tip 16a.
  • the nozzle body 16 has a convection region 37, as in FIG Fig. 2 the cooling matrix 35 is shown surrounding.
  • the convection area 37 is made of a different material, for example copper, than the rest of the nozzle body 16, but is nevertheless connected to it in a materially bonded manner due to the 3D printing.
  • the convection area 37 has a particularly high thermal conductivity and is used to conduct the largest possible amount of heat from very hot areas of the nozzle body 16 to the cooling matrix 35.
  • the convection region 37 is preferably arranged in the vicinity of the injection openings 60 in the nozzle tip 16a, since the highest temperatures of the fuel injector 100 usually prevail there.
  • the cooling matrix 35 is designed in the shape of a fence. Further design options are in the following Figures 3 and 4 to see.
  • Fig. 3 shows a negative model of the cooling matrix 35 - that is, the geometry of the cooling medium - in a spiral or meandering shape. Due to the meander shape, the flow through the cooling matrix 35 is particularly defined, since there are no branches in the direction of flow. Standing cooling medium - and thus locally low heat transfer coefficients - are therefore excluded.
  • Fig. 4 shows the cooling matrix 35 as a ring cylinder with a large number of material pores 36.
  • the material pores 36 are thus material of the nozzle body 16, for example steel.
  • the convection surface of the cooling matrix 35 is particularly large. Accordingly, a large amount of heat can be introduced from the nozzle tip 16a into the cooling medium.
  • the cooling matrix 35 can also be designed in a ring shape.
  • a base body of the nozzle body 16 is first produced using a conventional production method - for example forging or a machining process.
  • the cooling channels 30 can already be present in partial contours.
  • the outer area of the nozzle body 16, specifically the area surrounding the cooling matrix 35 and possibly also the convection area 17, is then applied by means of 3D printing.

Landscapes

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Düsenkörper für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Düsenkörper Kühlkanäle aufweist.
  • Ein Düsenkörper für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP 1 781 931 B1 bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor umfasst einen Haltekörper, einen Ventilkörper mit Drosselplatte und einen Düsenkörper. Der Haltekörper und der Düsenkörper sind durch eine Düsenspannmutter miteinander verspannt. In dem Düsenkörper ist ein Druckraum ausgebildet, der über eine Zulaufbohrung mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar ist. Eine zumindest eine Einspritzöffnung freigebende oder verschließende längsbewegliche Düsennadel ist in dem Druckraum längsbeweglich angeordnet.
  • Weiterhin weist der bekannte Kraftstoffinjektor in dem Düsenkörper ausgebildete Kühlkanäle auf. Über die Ausführung und Herstellung dieser Kühlkanäle offenbart die EP 1 781 931 B1 jedoch nichts.
  • Des Weiteren ist die nicht vorveröffentlichte DE 10 2016 206 796 A1 aus dem Stand der Technik bekannt, welche die Ausbildung von Kühlkanälen zwischen dem Düsenkörper und einem zusätzlichen Bauteil, der Kühlkappe, offenbart.
  • Aus der DE 10 2013 006420 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einer Kühlanordnung bekannt, die eine Ringkammer umfasst mit einem inneren und einem äußeren Kühlmittelraum. Weiter ist aus der DD 266 480 A3 eine kühlbare Einspritzdüse für einen Direkteinspritzmotor bekannt, bei der ein Düsenhalter einen Zirkulationskanal in Form eines zylindrischen Ringraums aufweist. Auch aus CN 103254940 A und US 2011/0266364 A1 sind Einspritzventile bzw. Kraftstoffinjektoren bekannt, die Kühlkanäle aufweisen.
  • Die Ausführungen der Kühlkanäle der bekannten Kraftstoffinjektoren erfordern komplexe Ausführungen und einen hohen fertigungstechnischen Aufwand.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Düsenkörper für einen Kraftstoffinjektor weist demgegenüber Kühlkanäle auf, die in ihrer Kühlwirkung optimiert sind. Dennoch ist der Düsenkörper einstückig gestaltet, so dass auf aufwändige Fertigungstechniken und Abdichtungen verzichtet werden kann. Weiterhin ist die Strukturschwächung des Düsenkörpers durch die Kühlkanäle nur marginal.
  • Dazu ist in dem Düsenkörper ein Druckraum ausgebildet, der über eine Zulaufbohrung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgbar ist. Eine zumindest eine Einspritzöffnung freigebende oder verschließende Düsennadel ist in dem Druckraum längsbeweglich angeordnet. Die zumindest eine Einspritzöffnung ist in einer Düsenspitze des Düsenkörpers ausgebildet. In dem Düsenkörper sind mit Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle ausgebildet. Die Kühlkanäle umfassen eine in der Düsenspitze ausgebildete Kühlmatrix. Der Düsenkörper ist weiterhin einstückig ausgeführt.
  • Im Betrieb des Kraftstoffinjektors ist besonders die Düsenspitze sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Eine effektive Kühlung der Düsenspitze hat eine robuste Funktionalität und eine erhöhte Lebensdauer des Kraftstoffinjektors zur Folge. Die Kühlmatrix weist eine möglichst große, für die Kühlung wirksame Gesamtfläche auf, so dass der Wärmeeintrag von der Düsenspitze in das Kühlmedium sehr groß ist und die Kühlung des Düsenkörpers dadurch besonders effektiv. Die Kühlkanäle, insbesondere die Kühlmatrix sind mittels 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Mit anderen Fertigungsverfahren, beispielsweise konventioneller Dreh- und Bohrtechnik, kann die Geometrie der Kühlmatrix in einem einstückigen Düsenkörper nicht hergestellt werden. Auf aufwändige Ersatzmaßnahmen wie Schweißen oder Verschlussstopfen kann daher verzichtet werden. Damit einhergehende Anschlussprobleme wie mangelnde Dichtheit oder verminderte Festigkeit entfallen.
  • In vorteilhaften Ausführungen ist die Kühlmatrix zaunförmig, mäanderförmig oder wendelförmig gestaltet. Dadurch kann die gesamte Konvektionsfläche der Kühlmatrix, also die Trennfläche zwischen Düsenkörper und Kühlmatrix, sehr groß gestaltet werden. Ein großer Wärmefluss von der Düsenspitze in das Kühlmedium ist die Folge. Die Kühlung des Düsenkörpers ist dadurch besonders effektiv. Bei den wendel- und mäanderförmigen Ausführungen der Kühlmatrix ist die Durchströmung der Kühlmatrix zusätzlich besonders definiert gestaltet, es gibt keine Gefahr, dass das Kühlmedium in lokalen Bereichen steht und nicht fließt.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die Kühlmatrix ringzylinderförmig gestaltet. Dadurch kann der Düsenkörper in seinen axialen Abmaßen sehr kompakt ausgeführt werden.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Kühlmatrix von Materialporen der Düsenspitze durchsetzt. Dadurch kann die gesamte Konvektionsfläche noch einmal vergrößert werden. Der Wärmeaustausch zwischen Düsenspitze und Kühlmedium ist dadurch weiter optimiert.
  • Erfindungsgemäss umfassen die Kühlkanäle einen länglichen Zulaufkanal und einen länglichen Ablaufkanal zum Zu- und Abführen von Kühlmedium in die Kühlmatrix und aus der Kühlmatrix. Typischerweise ist die Düsenspitze der heißeste Bereich des Düsenkörpers und die Kühlmatrix in diesem angeordnet. Die Zu- und Abfuhr des Kühlmediums in den Düsenkörper bzw. aus dem Düsenkörper erfolgt jedoch an der der Düsenspitze gegenüberliegenden Stirnseite des Düsenkörpers. Der längliche Zu- bzw. Ablaufkanal ist demzufolge eine strömungstechnisch günstige Ausführung um die Kühlmatrix hydraulisch an die Versorgung mit Kühlmedium anzuschließen.
  • Erfindungsgemäss weisen die Kühlkanäle eine Einlassniere und eine Auslassniere auf. Die Einlassniere und die Auslassniere sind an einer der Düsenspitze gegenüberliegenden Stirnseite des Düsenkörpers ausgebildet. Die Einlassniere geht in den Zulaufkanal über, und die Auslassniere geht in den Ablaufkanal über. Dadurch kann der Düsenkörper an der Stirnseite mit einem weiteren Bauteil, beispielsweise einem Haltekörper oder einer Drosselplatte, verspannt werden, wobei die Anbindung der Kühlkanäle keinen engen Toleranzen unterliegen muss. Die Einlassniere und die Auslassniere sind die hydraulische Verbindung der Kühlkanäle zu dem benachbarten Bauteil. Durch die vergleichsweise großen Flächen der beiden Nieren, haben Maßabweichungen zu den Anschlussgeometrien keine nachteiligen Auswirkungen auf die Durchströmung der Kühlkanäle.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Düsenkörper einen Konvektionsbereich auf, wobei der Konvektionsbereich eine größere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der übrige Bereich des Düsenkörpers. Die durch den Konvektionsbereich transportierte Wärmemenge ist damit besonders groß. So können definierte Hauptwärmeströme vorteilhaft angeordnet werden, beispielsweise von den Einspritzöffnungen zu der Kühlmatrix. Als besonders wärmeleitfähiges Material kann beispielsweise Kupfer für den Konvektionsbereich verwendet werden. Aufgrund des 3D-Druck-Verfahrens entsteht dennoch eine feste stoffschlüssige Verbindung zu den weiteren Bereichen des Düsenkörpers.
  • Eine besonders vorteilhafte Verwendung findet der erfindungsgemäße Düsenkörper in einem Kraftstoffinjektor. Der Kraftstoffinjektor weist ein Steuerventil zur Steuerung des Drucks eines Steuerraums auf. Der Steuerraum ist dabei durch die Düsennadel begrenzt. Die Öffnungs- und Schließbewegungen der Düsennadel werden also durch den Druck im Steuerraum gesteuert, welcher wiederum von dem Steuerventil gesteuert wird. Der Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ist besonders hohen Temperaturen ausgesetzt, dies gilt insbesondere für die Düsenspitze, an welcher die Einspritzöffnungen in den Brennraum ausgebildet sind. Die Kühlung der Düsenspitze über die Kühlmatrix ist für derartige Kraftstoffinjektoren daher besonders wichtig und besonders effektiv.
  • Das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Düsenkörpers ist ein 3D-Druck-Verfahren, da lediglich damit die komplexe Geometrie der Kühlmatrix in einem einstückigen Düsenkörper realisiert werden kann. Verschlussstopfen, weitere Bauteile, Schweißnähte, Abdichtmittel und ähnliche Umgehungsmaßnahmen entfallen dadurch.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird zunächst ein Grundkörper des Düsenkörpers gefertigt, vorzugsweise durch Schmieden oder Gießen. In diesem Grundkörper können optional auch bereits Teilgeometrien der Kühlkanäle ausgebildet sein, beispielsweise als Längsschnitt von Bohrungen bzw. als Halbmodell. Anschließend wird das restliche, die Kühlkanäle umgebende Material per 3D-Druck appliziert. Gegebenenfalls können dann auch noch Konvektionsbereiche mit einem besonders wärmeleitfähigen Material per 3D-Druck appliziert werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
  • Diese zeigen in:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    einen Düsenkörper in transparenter perspektivischer Ansicht,
    Fig. 3
    einen Ausschnitt einer Negativform von Kühlkanälen,
    Fig. 4
    einen Ausschnitt einer Negativform von Kühlkanälen in einer weiteren Ausführungsform.
  • Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In der Fig.1 ist ein Kraftstoffinjektor 100 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Der bekannte Kraftstoffinjektor 100 umfasst einen Haltekörper 1, einen Ventilkörper 3, eine Drosselplatte 5 und einen Düsenkörper 16. Alle diese Bauteile werden durch eine Düsenspannmutter 7 zusammengehalten. Der Düsenkörper 16 enthält hierbei eine Düsennadel 6, welche in einem im Düsenkörper 16 ausgebildeten Druckraum 8 längsverschiebbar angeordnet ist. Bei einer Öffnungsbewegung der Düsennadel 6 wird Kraftstoff über mehrere im Düsenkörper 16 ausgebildete Einspritzöffnungen 60 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
  • An der Düsennadel 6 ist ein Bund ersichtlich, an welchem eine Druckfeder 61 abgestützt ist. Das andere Ende der Druckfeder 61 ist an einer Steuerhülse 62 abgestützt, welche selbst wiederum an der Unterseite der Drosselplatte 5 anliegt. Die Steuerhülse 62 definiert mit der oberen, den Einspritzöffnungen 60 gegenüberliegenden Stirnfläche der Düsennadel 6 und mit der Unterseite der Drosselplatte 5 einen Steuerraum 63. Der im Steuerraum 63 herrschende Druck ist für die Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel 6 maßgeblich.
  • Im Kraftstoffinjektor 100 ist eine Zulaufbohrung 64 ausgebildet. Über die Zulaufbohrung 64 wird der Kraftstoffdruck einerseits im Druckraum 8 wirksam, wo er über eine Druckschulter der Düsennadel 6 eine Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 6 ausübt. Andererseits wirkt dieser Kraftstoffdruck über eine in der Steuerhülse 62 ausgebildete Zulaufdrossel 65 im Steuerraum 63 und hält, unterstützt von der Kraft der Druckfeder 61, die Düsennadel 6 in ihrer Schließstellung.
  • Der Kraftstoffinjektor 100 weist weiterhin ein Steuerventil 2 zur Steuerung des Drucks im Steuerraum 63 auf: Wenn ein Elektromagnet 70 angesteuert wird, wird ein Magnetanker 71 sowie eine mit dem Magnetanker 71 verbundene Ventilnadel 72 von einem an dem Ventilkörper 3 ausgebildeten Ventilsitz 73 abgehoben. Der Kraftstoff aus dem Steuerraum 63 kann auf diese Weise durch eine in der Drosselplatte 5 ausgebildete Ablaufdrossel 75 über den Ventilsitz 73 in einen Ablaufkanal 76 abströmen. Das auf diese Weise bewirkte Absinken der hydraulischen Kraft auf die obere Stirnfläche der Düsennadel 6 führt zu einem Öffnen der Düsennadel 6. Der Kraftstoff aus dem Druckraum 8 gelangt so durch die Einspritzöffnungen 60 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • Sobald der Elektromagnet 70 abgeschaltet wird, wird der Magnetanker 71 durch die Kraft einer weiteren Druckfeder 74 in Richtung des Ventilsitzes 73 gedrückt, so dass die Ventilnadel 72 an den Ventilsitz 73 gepresst wird. Auf diese Weise wird der Ablaufweg des Kraftstoffs über die Ablaufdrossel 75 und den Ventilsitz 73 gesperrt. Über die Zulaufdrossel 65 wird im Steuerraum 63 wieder Kraftstoffdruck aufgebaut, wodurch die hydraulische Schließkraft erhöht wird.
  • Dadurch wird die Düsennadel 6 in Richtung der Einspritzöffnungen 60 verschoben und verschließt diese. Der Einspritzvorgang ist dann beendet.
  • Um die Bauteile im Bereich des Brennraums zu kühlen, sind Kühlkanäle 30 in Ventilkörper 3, Drosselplatte 5 und Düsenkörper 16 des bekannten Kraftstoffinjektors 100 ausgebildet. So können speziell die Spitze der Düsennadel 6 und der Düsenkörper 16 gekühlt werden. In der Schnittdarstellung der Fig.1 liegen die Kühlkanäle 30 teilweise in der Zulaufbohrung 64. Dies ist jedoch lediglich der Schnittdarstellung geschuldet, in den Ausführungen sind die Kühlkanäle 30 von der Zulaufbohrung 64 getrennt.
  • Erfindungsgemäß sind nun die Kühlkanäle 30 in einem einstückigen 3D-gedruckten Düsenkörper 16 ausgebildet. Dadurch können zum einen nahezu beliebige Formen der Kühlkanäle realisiert werden, zum anderen kann auf eine aufwändige Konstruktion mit mehreren Bauteilen verzichtet werden.
  • Fig.2 zeigt einen im 3D-Druck-Verfahren hergestellten Düsenkörper 16 in perspektivischer transparenter Ansicht. Die Zulaufbohrung 64 in den Druckraum 8 ist dabei nicht abgebildet. In dem Düsenkörper 16 sind wie üblich der Druckraum 8 und die Einspritzöffnungen 60 ausgebildet. Weiterhin sind die Kühlkanäle 30 so ausgebildet, dass sie im Bereich der Düsenspitze 16a des Düsenkörpers 16, also nahe den Einspritzöffnungen 60 eine sehr große Fläche zum Düsenkörper 16 aufweisen.
  • Die Kühlkanäle 30 umfassen eine Einlassniere 33 und eine Auslassniere 34 zum Anschluss an das dem Düsenkörper 16 benachbarte Bauteil, also beispielsweise die Drosselplatte 5 oder den Haltekörper 1, je nach Ausführung des Kraftstoffinjektors 100. Die externen Kühlanschlüsse des Kraftstoffinjektors 100 sind dabei in der Regel am Haltekörper 1 ausgebildet.
  • Die Kühlkanäle 30 umfassen weiterhin einen länglichen Zulaufkanal 31, einen länglichen Ablaufkanal 32 und eine Kühlmatrix 35. Die Kühlmatrix 35 ist vorzugsweise mit einer großen Gesamtfläche zur wirksamen Kühlung der Düsenspitze 16a versehen, so dass eine größtmögliche Wärmeübertragung von der im Betrieb sehr heißen Düsenspitze 16a in das die Kühlkanäle 30 durchströmende Kühlmedium stattfinden kann. Dazu erstreckt sich die Kühlmatrix 35 vorzugsweise auch über den gesamten Umfang der Düsenspitze 16a.
  • In vorteilhaften Ausführungen weist der Düsenkörper 16 einen Konvektionsbereich 37 auf, wie in der Fig.2 die Kühlmatrix 35 umgebend dargestellt. Der Konvektionsbereich 37 ist aus einem anderen Material, beispielsweise Kupfer, als der restliche Düsenkörper 16 ausgeführt, aber dennoch aufgrund des 3D-Drucks mit diesem stoffschlüssig verbunden. Der Konvektionsbereich 37 weist eine besonders große Wärmeleitfähigkeit auf und dient dazu, eine möglichst große Wärmemenge von sehr heißen Bereichen des Düsenkörpers 16 zur Kühlmatrix 35 zu leiten.
  • Vorzugsweise ist der Konvektionsbereich 37 in der Nähe der Einspritzöffnungen 60 in der Düsenspitze 16a angeordnet, da dort üblicherweise die höchsten Temperaturen des Kraftstoffinjektors 100 herrschen.
  • In der Ausführung der Fig.2 ist die Kühlmatrix 35 zaunförmig ausgeführt. Weitere Ausführungsmöglichkeiten sind in den nachfolgenden Figuren 3 und 4 zu sehen.
  • Fig.3 zeigt ein Negativmodell der Kühlmatrix 35 - also die Geometrie des Kühlmediums - in Wendel- bzw. Mäanderform. Durch die Mäanderform wird die Kühlmatrix 35 besonders definiert durchströmt, da es keine Verzweigungen in Strömungsrichtung gibt. Stehendes Kühlmedium - und damit lokal geringe Wärmeübergangskoeffizienten - sind somit ausgeschlossen.
  • Fig.4 zeigt die Kühlmatrix 35 als Ringzylinder mit einer Vielzahl von Materialporen 36. Die Materialporen 36 sind somit Material des Düsenkörpers 16, beispielsweise Stahl. Dadurch ist die Konvektionsfläche der Kühlmatrix 35 besonders groß. Dementsprechend kann ein großer Wärmeeintrag von der Düsenspitze 16a in das Kühlmedium erfolgen. Alternativ kann die Kühlmatrix 35 auch ringförmig gestaltet sein.
  • Durch das 3D-Druck-Verfahren als Herstellungsverfahren für den Düsenkörper 16 können nahezu beliebige Geometrien für die Kühlkanäle 30 realisiert werden und dennoch der Düsenkörper 16 einstückig ausgeführt sein. Dabei ist es auch möglich unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Bereiche des Düsenkörpers 16 zu verwenden. Speziell hinsichtlich der Eigenschaft der Wärmeleitfähigkeit können so Wärmeflüsse in Richtung der Kühlkanäle 30 vorteilhaft beeinflusst werden. Mittels 3D-Druck werden dazu ein oder mehrere Konvektionsbereiche 37 appliziert, die eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und vorzugsweise vom Bereich der Einspritzöffnungen 60 bis zur Kühlmatrix 35 verlaufen.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zunächst ein Grundkörper des Düsenkörpers 16 mit einer konventionellen Fertigung - beispielsweise Schmieden oder ein spanabtragendes Fertigungsverfahren - hergestellt. Optional können dabei die Kühlkanäle 30 schon in Teilkonturen vorhanden sein. Der äußere Bereich des Düsenkörpers 16, speziell der die Kühlmatrix 35 umgebende Bereich und gegebenenfalls auch der Konvektionsbereich 17, wird dann mittels 3D-Druck appliziert.

Claims (8)

  1. Düsenkörper (16) für einen Kraftstoffinjektor (100) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Düsenkörper (16) einstückig ausgeführt ist, wobei in dem Düsenkörper (16) ein Druckraum (8) ausgebildet ist, der über eine Zulaufbohrung (64) mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgbar ist, wobei eine zumindest eine Einspritzöffnung (60) freigebende oder verschließende Düsennadel (6) in dem Druckraum (8) längsbeweglich angeordnet ist, wobei die zumindest eine Einspritzöffnung (60) in einer Düsenspitze (16a) des Düsenkörpers (16) ausgebildet ist, wobei in dem Düsenkörper (16) mit Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle (30) ausgebildet sind und die Kühlkanäle (30) einen länglichen Zulaufkanal (31) und einen länglichen Ablaufkanal (32) zum Zu- und Abführen von Kühlmedium in die Kühlmatrix und aus der Kühlmatrix (35) umfassen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (30) eine in der Düsenspitze (16a) ausgebildete Kühlmatrix (35) umfassen und die Kühlkanäle (30) eine Einlassniere (33) und eine Auslassniere (34) aufweisen, wobei die Einlassniere (33) und die Auslassniere (34) an einer der Düsenspitze (16a) gegenüberliegenden Stirnseite des Düsenkörpers (16) ausgebildet sind, und die Einlassniere (33) in den Zulaufkanal (31) und die Auslassniere (34) in den Ablaufkanal (32) übergeht.
  2. Düsenkörper (16) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlmatrix (35) zaunförmig, mäanderförmig oder wendelförmig gestaltet ist.
  3. Düsenkörper (16) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlmatrix (35) ringzylinderförmig gestaltet ist.
  4. Düsenkörper (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlmatrix (35) von Materialporen (36) der Düsenspitze (16a) durchsetzt ist.
  5. Düsenkörper (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Düsenkörper (16) einen Konvektionsbereich (37) aufweist, wobei der Konvektionsbereich (37) eine größere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der übrige Bereich des Düsenkörpers (16).
  6. Kraftstoffinjektor (100) mit einem Düsenkörper (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kraftstoffinjektor (100) ein Steuerventil (2) zur Steuerung des Drucks eines Steuerraums (63) aufweist, wobei die Düsennadel (6) den Steuerraum (63) begrenzt.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Düsenkörpers (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Düsenkörper (16) im 3D-Druck-Verfahren gefertigt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
    - Fertigung eines Grundkörpers des Düsenkörpers (16), vorzugsweise durch Schmieden;
    - Applizieren des die Kühlmatrix (35) nach außen umgebenden Materials der Düsenspitze (16a) mittels 3D-Druck-Verfahren.
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