WO2015043913A1 - Kraftstoffeinspritzventil und ein verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Kraftstoffeinspritzventil und ein verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2015043913A1
WO2015043913A1 PCT/EP2014/068891 EP2014068891W WO2015043913A1 WO 2015043913 A1 WO2015043913 A1 WO 2015043913A1 EP 2014068891 W EP2014068891 W EP 2014068891W WO 2015043913 A1 WO2015043913 A1 WO 2015043913A1
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nozzle needle
throttle point
fuel injection
injection valve
rounding
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PCT/EP2014/068891
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French (fr)
Inventor
Katja Grothe
Christian Berg
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift
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    • F02M2200/8069—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly involving removal of material from the fuel apparatus, e.g. by punching, hydro-erosion or mechanical operation

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve for internal combustion engines and a, as it is used for fuel injection into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine comprising a nozzle body in which a high pressure bore or a pressure chamber is formed with a longitudinally displaceably arranged nozzle needle, which with a nozzle needle seat of Nozzle body cooperates. Due to the interaction of the nozzle needle with the nozzle needle seat, a fuel flow is opened or interrupted at least one injection port.
  • the known valve has a first gap throttle between the nozzle body and the nozzle needle and a second gap throttle between nozzle body and nozzle needle, the formation of at least one gap choke is dependent on the stroke of the nozzle needle.
  • the two gap throttles are used in the known fuel injection valve to allow a good injection characteristic both in the smallest quantity operation as well as in full load operation: fast needle closing in pre- and post-injection and maximum injection pressure in the full load range. That is, with small nozzle needle strokes, a reduction of the system pressure below the gap throttles and thus an increase of the hydraulically resulting closing force on the nozzle needle is desired, while in full load operation below the gap throttles the maximum injection pressure is to rest in order to achieve a very favorable combustion in the internal combustion engine. Furthermore, high pressure overshoots on the nozzle needle seat, such as may occur during nozzle needle closing, are minimized by the known fuel injector.
  • the object of the present invention is to achieve a good injection characteristic both in the smallest quantity operation and in full load operation with minimized high-pressure overshoots on the nozzle needle seat during the nozzle needle closing, and at the same time to reduce the production cost of the fuel injection valve, especially for the nozzle needle.
  • the stroke-dependent throttle point between the nozzle needle tip and nozzle body which arises when lifting the nozzle needle from the nozzle needle seat, to be used advantageously as a gap throttle or throttle point, so that upstream only between the nozzle body and nozzle needle, a further gap throttle or throttle must be located to achieve the above injection characteristics.
  • the production cost for the nozzle needle is reduced.
  • High pressure overshoot on the nozzle needle seat are minimized as well as the known fuel injector.
  • the fuel injection valve has a pressure chamber formed in a nozzle body, in which a nozzle needle is arranged to be longitudinally displaceable.
  • a nozzle needle tip formed on the nozzle needle cooperates with a nozzle needle seat formed on the nozzle body and thereby opens and closes at least one injection opening, wherein a first throttle point is formed when lifting the nozzle needle tip from the nozzle needle tip between the nozzle needle tip and the nozzle needle seat.
  • a central region formed on the nozzle needle forms, with a shaft region formed on the nozzle body, on its inner surface a second throttle point which has a constant flow cross-section over a first partial stroke of the nozzle needle.
  • the first throttle point is used as a stroke-dependent throttle and the second throttle point as at least until the first partial stroke of the nozzle needle hubuncol throttle.
  • the first partial stroke is less than 20% of a maximum stroke of the nozzle needle.
  • the first and the second throttle point are particularly effective for nozzle needle strokes up to the first partial stroke; In this area, above all, they determine the injection characteristics during the pilot injections or during the
  • the central region has at least one, but preferably three in the longitudinal direction of the nozzle needle Axial throttle thrust of depth h, which form the second throttle point with the inner surface.
  • the second throttle point is not formed over the entire circumference of the central region of the nozzle needle, but via the Drosselanschliffe.
  • the manufacturing tolerances between the middle region of the nozzle needle and the shaft region of the nozzle body need not be made too narrow; on the other hand, the throttling function of the second orifice during operation (eg at extreme temperatures or temperature differences) can be kept more robust.
  • the at least one throttling ground on a slot end face with the radius R is rounded to form a cylindrical outer surface of the central area.
  • a plurality of injection openings are present, and during the first part of the stroke, the flow cross section of the first throttle point is less than the summed flow area of all injection ports, preferably by more than 50% less.
  • the flow cross section of the second throttle point when reaching the first partial stroke of the nozzle needle is at least approximately as large as the flow cross section of the first throttle point.
  • either the first or the second throttle point can be used as an essential throttle function for the first partial stroke.
  • both throttle points advantageously have a smaller flow cross section than the summed flow cross section of all injection ports. This reduces the nozzle pressure in the system pressure in the pressure chamber between the first throttle point and the injection openings, so that the hydraulically resulting closing force increases on the nozzle needle and it comes to a faster closing of the nozzle needle and thus to a better injection characteristics with small injection quantities.
  • the second throttle point between the first partial stroke and a second partial stroke of the nozzle needle which is greater than the first partial stroke and smaller than the maximum stroke, a steadily expanding flow area on.
  • the flow cross section of the second throttle point is greater than the flow cross section of the first throttle point from the second partial stroke.
  • the middle region of the nozzle needle in the region of the second throttle point has a tapering towards the nozzle needle tip transition region, wherein the transition region is designed either as a chamfer, preferably at an angle ⁇ of 35 ° to 80 ° to the cylindrical lateral surface of the central region, or has at least one concave circular arc shape with radius R.
  • the flow cross section is increased by the second throttle point, when the tapered transition region of the nozzle needle forms the second throttle point with the shaft region of the nozzle body, so at nozzle needle strokes greater than the first partial stroke until reaching the second partial stroke.
  • the gap width of the second throttle point thereby increases while at the same time being easier to manufacture.
  • the execution of the transition region as a chamfer or as a concave circular arc shape may be more advantageous.
  • the concave arc shape of the angle between lateral surface and imaginary tangential extension of the circular arc shape and depending on the chamfer length or circular arc length so the injection characteristics of the fuels insp - valve in the partial load range can be designed depending on the application.
  • the entire region of the nozzle needle is designated from the transition region in the direction of the combustion chamber of the internal combustion engine. This will be a sufficient fuel flow between the first and second throttle point achieved by the longitudinal grinding with good management of the nozzle needle tip in the shaft region of the nozzle body.
  • the leadership of the nozzle needle tip in the shaft region takes place on the surfaces of the nozzle needle tip on which no longitudinal cuts are formed.
  • the longitudinal sections to the transition region are each rounded with the radius R.
  • the fillets of the longitudinal cuts simultaneously represent the transition region of the nozzle needle, and the second throttle point can be manufactured on the nozzle needle side with the same tool as the longitudinal cuts.
  • the summed flow cross section of all injection openings is less than the flow cross section of the first throttle point and less than the flow cross section of the second throttle point at the maximum stroke of the nozzle needle.
  • a manufacturing method of the fuel injection valve according to the invention having the following features: formed in a nozzle body pressure chamber in which a nozzle needle is arranged longitudinally displaceable, wherein a formed on the nozzle needle nozzle needle cooperates with a formed on the nozzle body nozzle needle seat and thereby at least one injection opening opens and closes, wherein the Lifting the nozzle needle tip from the nozzle needle seat between the nozzle needle tip and the nozzle needle seat, a first throttle point is formed, wherein a formed on the nozzle needle central region form on its outer surface with a formed on the nozzle body shaft portion on the inner surface of a second throttle point, wherein on the nozzle needle, a central region is formed and the nozzle needle tip between the central region and nozzle needle seat has longitudinal sections which extend in the direction of the nozzle needle axis, wherein the longitudinal sections are rounded to the central region in a concave transition region having a first rounding and a second rounding, wherein the second throttle point over a first partial stroke of the nozzle
  • steps 1) and 2) are carried out together in one production step.
  • the first rounding at a first angle ⁇ and the second rounding be ground at a second angle ß to the cylindrical surface, where ⁇ ⁇ ß, and the first rounding and the second rounding have the same radius R, where the second fillet is ground in a tangential manner to the longitudinal cuts and the grinding tool has a corresponding negative mold. Due to the angular relationship ⁇ ⁇ , the flow cross-section through the second throttle point from the second partial stroke is increased more than between the first and the second partial stroke. Since the first and second fillets have the same radius R, the same radius of the grinding tool can be used for the grinding processes. Due to the tangential discharge from the second rounding to the longitudinal cuts, a sharp edge or burr formation is avoided at the transition of the longitudinal cuts to the transition region; subsequent deburring production steps can be omitted at this transition.
  • Fig.l shows a longitudinal section through a fuel injection valve according to the invention in a schematic representation, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a further embodiment of the fuel injection valve according to the invention in a schematic representation, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 3 shows the designated III section of Fig.2
  • FIG. 4 shows the detail of FIG. 3 designated IV
  • Fig.5 shows a step of a manufacturing process of the embodiment of Fig.2.
  • Fig.l schematically shows a detail of a fuel injection valve 100 according to the invention in longitudinal section.
  • the fuel insp scrib valve 100 has a formed in a nozzle body 10 pressure chamber 20 in which a nozzle needle 30 is arranged longitudinally displaceable. Due to the longitudinal movement of the nozzle needle 30, a nozzle needle 30 acts on the nozzle needle 30. formed nozzle needle tip 31 with a formed on the nozzle body 10 nozzle needle seat 11 and thereby opens and closes at least one formed in the nozzle body 10 injection port 19 for injection of fuel under high pressure in a combustion chamber 110 of an internal combustion engine.
  • a transition region 37 and a central region 34 adjoin one another as further components of the nozzle needle 30 away from the combustion chamber.
  • the central region 34 has a cylindrical lateral surface 35 with a diameter d 35
  • the transition region 37 is conical in the illustrated embodiment with an angle ⁇ to the cylindrical lateral surface 35.
  • the nozzle body 10 has a shank region 14 with a cylindrical inner surface 15 of diameter d i5 and, facing away from the combustion chamber, thereupon a nozzle body shoulder 17, the inner diameter of which widens in the direction away from the combustion chamber.
  • a second throttle gap 50 with the width (di 5 -d 35 ) / 2 and with formed the length Si, wherein the length Si corresponds to a first partial stroke Si.
  • the second throttle gap 50 divides the pressure chamber 20 into a upper pressure chamber 21 facing away from the combustion chamber and a lower pressure chamber 22 facing the combustion chamber.
  • a second partial stroke s 2 is defined by the sum of the first partial stroke Si and the axial length IÜ of the transitional region 37.
  • Drosselanschliffe 40 are arranged with the depth h in the longitudinal direction of the nozzle needle 30, which lead into the transition region 37 of the nozzle needle 30.
  • the depth h is 25 ⁇ to 40 ⁇ .
  • the illustrated embodiment has three Drosselanschliffe 40, which are arranged uniformly distributed over the circumference. Further embodiments with two or four throttle slits 40 are also possible.
  • a throttle grind 40 consists of a usually planar groove base 41, which terminates in the transition region 37 and a Nutstirnseite 42, which is designed as a rounding with the radius R to the lateral surface 35 of the central region 34.
  • the second throttle restriction 50 is essentially formed between the throttle snares 40 and the cylindrical inner surface 15 of the shaft region 14 of the nozzle body 10.
  • the diameter d 35 of the lateral surface 35 of the central region 34 is in this embodiment only slightly smaller than the diameter d i5 of the inner surface 15 of the shaft portion 14, so that outside the Drosselanschliffe 40 between the central region 34 and shaft portion 14 no throttle gap is formed; In these areas, the nozzle needle 30 to the nozzle body 10 is almost dense.
  • the downstream of the second throttle body 50 form a substantial part of the flow cross-section between the nozzle needle tip 31 and shaft portion 14.
  • the longitudinal cuts 38 are made almost over the entire length of the nozzle needle tip 31, ie from the transition region 37 to near the first throttle point 12, and have largely a planar base.
  • the longitudinal cuts 38 are rounded, viewed in cross section, first with the second rounding 37b, which preferably terminates tangentially into the planar base of the longitudinal cut 38, and subsequently with the first fillet 37a, both fillets 37a, 37b the same Radius R have.
  • transition region 37 may be instead of two
  • three longitudinal slits 38 are uniformly distributed over the circumference of the nozzle needle tip 31 and are arranged so that the longitudinal slices 38 in the transition region 37 each lead into a throttle slit 40.
  • Demzufol- ge changed in other embodiments, the number of longitudinal grinding 38 analogous to the number of Drosselanschliffe 40 to two or four longitudinal cuts 38th
  • the nozzle needle tip 31 In the region of the nozzle needle tip 31 lying in the shaft region 14, which is not provided with longitudinal cuts 38, the nozzle needle tip 31 has a cylindrical shape with the same diameter d 35 as the jacket surface 35 of the middle region 34; As a result, the nozzle needle tip 31 can be guided well in the nozzle body 10 during strokes of the nozzle needle 30.
  • FIG. 3 shows for better illustration the detail III of FIG. 2 in the area of the second throttle point 50 with the nozzle needle 30 closed.
  • the second orifice 50 is formed between the inner surface 15 of the shank portion 14 of diameter d i5 and the throttle bevels 40 of the central portion 34 over the length Si.
  • the concave transition region 37 of the nozzle needle 30 between the central region 34 and nozzle needle tip 31 is divided into a first rounding 37 a, which adjoins the central region 34, and a second rounding 37 b, which adjoins the nozzle needle tip 31.
  • the first rounding 37a extends at an angle ⁇ to the lateral surface 35 or to the groove bottom 41 and connects directly to this.
  • the second fillet 37b is formed between the first fillet 37a and the nozzle needle tip 31; Their imaginary tangential outlet runs at an angle ⁇ to the lateral surface 35 or to the groove base 41.
  • the cylindrical lateral surface 35 is arranged coaxially to a nozzle needle axis 39 of the nozzle needle 30.
  • Both fillets 37a, 37b have the same radius R, with which the Nutstirnseite 42 is rounded. However, the arc length of the first fillet 37a is smaller than the arc length of the second fillet 37b.
  • the first partial stroke Si, the second partial stroke s 2 and the maximum stroke v of the nozzle needle 30 are outlined.
  • an axial reference 16 along the nozzle needle axis 39 to the edge between the nozzle body shoulder 17 and the inner surface 15 of the shaft portion 14 of the nozzle body 10 is used, extending from the combustion chamber in the direction away from the diameter of the bore of the nozzle body 10 and thus the volume of the pressure chamber 20 increases :
  • the first partial stroke Si describes the axial distance along the nozzle needle axis 39 from the reference 16 to the transition from the throttle pin 40 to the first rounding 37a.
  • the second partial stroke s 2 describes the axial distance along the nozzle needle axis 39 from the reference 16 to the transition from the first rounding 37 a to the second rounding 37 b.
  • the maximum stroke v can have a height which leads from the cover 16 either to the second rounding 37b or into the nozzle needle tip 31.
  • FIG. 4 shows the detail IV of Figure 3. Shown are the first angle ⁇ of the first rounding 37a and the second angle ß of the second rounding 37b to the groove bottom 41 of the Drosselanschliffs 40, which is formed in the central region 34 of the nozzle needle 30.
  • the dashed lines each show the tangential outlet of the two fillets as a reference for the two angles. Ideally, 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 90 °.
  • the groove base 41 runs parallel to the longitudinal axis of the nozzle needle 30, and thus also parallel to the lateral surface 35 of the central region 34, within the scope of manufacturing accuracy.
  • FIG. 5 shows a production step for manufacturing the nozzle needle 30 from the embodiment of FIGS. 2-4: a first rounding 37a is ground.
  • a grinding tool 200 having a convex radius R is brought into abutment with the first rounding 37a of a longitudinal cut 38.
  • the grinding tool 200 likewise has a planar surface which, however, is arranged at a distance from the planar surface of the longitudinal cut 38 in the illustrated production step.
  • the throttle section 40 belonging to the longitudinal section 38 can be manufactured by machining the planar surface of the grinding tool 200 the groove base 41 and the convex radius R the groove end side 42.
  • the operation of the fuel injection valve 100 according to the invention is as follows:
  • the nozzle needle tip 31 is in contact with the nozzle needle seat 11, so that the injection openings 19 from the pressure chamber 20 and the lower pressure chamber 22 are separated and therefore no fuel is injected into the combustion chamber 110.
  • the second throttle body 50 is formed between the inner surface 15 of the shaft portion 14 with diameter d i5 and the lateral surface 35 of the central region 34 with diameter d 35 and the throttle grindings 40 over the length Si corresponding to the first partial stroke Si.
  • the nozzle needle 30 via a control device, for example, lowering a pressure on a combustion chamber 110 opposite end face of the nozzle needle 30, lifted from the nozzle needle seat 31, so that the hydraulic connection between the pressure chamber 20 and lower pressure chamber 22 and injection ports 19 is opened and the first throttle 12 is formed.
  • the flow cross-section increases through the first throttle point 12, which is thus dependent on the stroke.
  • the first partial stroke Si is less than 20% of the maximum stroke v of the nozzle needle 30, in the case of fuel injection valves for passenger car engines, for example, less than 80 ⁇ . Furthermore, until the first partial stroke Si, the flow cross section through the first throttle 12 is less than the flow cross section through the injection port 19, or in the case of multiple injection ports 19 less than the summed flow cross section through all injection ports 19, preferably more than 50% lower.
  • the flow cross-section of the first throttle point 12 is at least approximately as large as the flow cross section of the second throttle point 50.
  • the injection characteristic of the fuel injection valve 100 up to the first partial stroke Si therefore primarily determines the first throttle point 12 and the second throttle point 50.
  • the flow cross-section of the second throttle point 50 which thus becomes stroke-dependent, also expands.
  • this can be achieved, for example, by means of a transition region 37 designed as a chamfer at the angle ⁇ over the entire circumference of the nozzle needle 30, as shown in FIG.
  • the nozzle needle 30 tapers in the transition region 37 - either over the entire circumference or in the region of the longitudinal grind 38 - and thereby increases the width of the second throttle body 50 as soon as the transition region forms the second throttle body 50, ie as soon as the transition region 37 during the stroke movement of the nozzle needle 30th the axial reference 16 passes through.
  • the flow cross section of the first throttle point 12 is at least approximately as large as the flow cross section of the second throttle point 50.
  • the flow cross section of the first Throttle 12 is at least approximately as large as the flow area of the second throttle body 50.
  • the flow cross-section of the second throttle body 50 increases more than between the first partial stroke Si and the second partial stroke s 2 .
  • this can be implemented, for example, via a vertical shoulder on the nozzle needle 30 -as shown in FIG. 1 -or a second rounding 37b in the transition region 37 -as shown in FIGS. 2-5-depending on the embodiment, again over the entire circumference the nozzle needle 30 or only in the region of longitudinal cuts 38:
  • the second rounding 37b of the exemplary embodiments of FIGS. 2-5 leads to a greater increase in the flow cross section of the second throttle point 50 than in the previous stroke phase between the first partial stroke Si and the second partial stroke s 2 , but not to a sudden increase.
  • the second rounding 37b has a tangential angle ⁇ to the lateral surface 35 or to the groove bottom 41, which is greater than the tangential angle ⁇ the first rounding 37a to the lateral surface 35 and the groove bottom 41 but less than or equal to 90 °.
  • both fillets 37a and 37b are made with the same radius R, but the second fillet 37b has a longer arc length.
  • the nozzle needle 30 is lifted from the nozzle needle seat 11 so far that in the region of the second throttle body 50 the edge of the nozzle body shoulder 17 faces the inner surface 15 of the nozzle body 10 at the level of the axial reference 16, a region of the nozzle needle 30 is opposite, which has a correspondingly smaller cross-section than the diameter determined by the diameter d 35 , so that a comparatively large gap between the nozzle body 10 and the nozzle needle 30 is formed:
  • this region is the nozzle needle tip 31 that is tapered due to the vertical shoulder relative to the transition region 37.
  • this may likewise be the nozzle needle tip 31, or else a region in the transition region 37 which is at the level of the second
  • the cylindrical lateral surface 35 of the central region 34 and the nozzle needle tip 31 are made cylindrical to the diameter d 35 .
  • a less high manufacturing accuracy is required to achieve a defined flow cross-section through the second throttle point 50 to the first partial stroke Si, as if the second throttle body 50 would be formed over the entire circumference of the nozzle needle 30, since then still the Drosselanschliffe 40 are made.
  • This manufacturing step can be performed with the grinding tool 200; however, it is advantageously carried out by a turning operation in an upstream production step.
  • the planar surface of a longitudinal grinding 38 on the nozzle needle tip is first ground with the grinding tool 200.
  • the second rounding 37b is ground at the outlet of the longitudinal cut 38.
  • the grinding tool 200 has a convex radius R which corresponds to the concave radius R of the second rounding 37b, ie forms a negative mold of the second rounding 37b.
  • the first rounding 37a is ground by the radius R of the grinding tool 200, while the grinding tool 200 is lifted off the planar surface of the longitudinal cut 38, as can be seen in FIG. Not all of the radius R of the grinding tool 200 is engaged with the nozzle needle 30, so that the arc length of the first fillet 37a is made shorter than the arc length of the second fillet 37b.
  • a throttle pin 40 is ground.
  • the planar groove base 41 is ground with the planar surface of the grinding tool 200 and the Nutstirnseite 42 with the convex radius R of the grinding tool 200, wherein only a small portion of the grinding tool 200 is in engagement with the nozzle needle 30.
  • the preceding manufacturing steps 1 to 3b are then repeated for the remaining longitudinal cuts 38 and throttle grindings 40.
  • a total of three longitudinal slits 38 and three throttle slits 40 are made, which are arranged uniformly distributed over the circumference of the nozzle needle tip 31, wherein a respective Drosselanschliff 40 terminates in a first rounding 37a of a longitudinal section 38.
  • steps 1) and 2) are performed together in one manufacturing step, since the grinding tool 200 has the corresponding negative mold of planar surface of the longitudinal cut 38 and second fillet 37b.
  • the cylindrical surface 35 and the cylindrical portion of the nozzle needle tip 31 can be made only at the end of the production chain to the diameter d 35 , the manufacturing order would then l-2-3-3b -4-0.
  • Drosselanschliffe 40, longitudinal grinding 38, fillets 37 and outer surface 35 are made from the outside in, in the order 0-3b-3-2-l-4.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil (100) für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit einem in einem Düsenkörper (10) ausgebildeten Druckraum (20), in dem eine Düsennadel (30) längsverschiebbar angeordnet ist. An der Düsennadel (30) ist eine Düsennadelspitze (31) ausgebildet, die mit einem am Düsenkörper (10) ausgebildeten Düsennadelsitz (11) zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (19) öffnet und schließt, wobei beim Abheben der Düsennadelspitze (31) vom Düsennadelsitz (11) zwischen der Düsennadelspitze (31) und dem Düsennadelsitz (11) eine erste Drosselstelle (12) ausgebildet wird. Ein an der Düsennadel (30) ausgebildeter Mittelbereich (34) bildet mit einem am Düsenkörper (10) ausgebildeten Schaftbereich (14) an dessen Innenfläche (15) eine zweite Drosselstelle (50). Die zweite Drosselstelle (50) weist über einen ersten Teilhub (s1) der Düsennadel (30)einen konstanten Durchflussquerschnitt auf. Weiterhin wirdein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils (100) dargestellt.

Description

Beschreibung Titel
Kraftstoffeinspritzventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen und ein, wie es zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 044 088 AI ist ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, das einen Düsenkörper umfasst, in dem eine Hochdruckbohrung bzw. ein Druckraum ausgebildet ist mit einer darin längsverschiebbar angeordneten Düsennadel, welche mit einem Düsennadelsitz des Düsenkörpers zusammenwirkt. Durch das Zusammenwirken der Düsennadel mit dem Düsennadelsitz wird ein Kraftstoff ström zu wenigstens einer Einspritzöffnung geöffnet oder unterbrochen. Das bekannte Ventil besitzt eine erste Spaltdrossel zwischen Düsenkörper und Düsennadel und eine zweite Spaltdrossel zwischen Düsenkörper und Düsennadel, wobei die Ausbildung wenigstens einer Spaltdrossel vom Hub der Düsennadel abhängig ist.
Die beiden Spaltdrosseln werden im bekannten Kraftstoffeinspritzventil verwendet, um eine gute Einspritzcharakteristik sowohl im Kleinstmengenbetrieb als auch im Volllastbetrieb zu ermöglichen: schnelles Nadelschließen bei Vor- und Nacheinspritzungen und maximaler Einspritzdruck im Volllastbereich. D.h. bei kleinen Düsennadelhüben ist eine Reduzierung des Systemdrucks unterhalb der Spaltdrosseln und damit eine Erhöhung der hydraulisch resultierenden Schließkraft auf die Düsennadel erwünscht, während im Volllastbetrieb auch unterhalb der Spaltdrosseln der maximale Einspritzdruck anliegen soll, um eine sehr günstige Verbrennung in der Brennkraftmaschine zu erzielen. Weiterhin werden Hochdrucküberschwinger am Düsennadelsitz, wie sie während des Düsennadelschließens entstehen können, durch das bekannte Kraftstoffeinspritzventil minimiert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gute Einspritzcharakteristik sowohl im Kleinstmengenbetrieb als auch im Volllastbetrieb mit minimierten Hochdrucküberschwingern am Düsennadelsitz während des Düsennadelschließens zu erzielen, und gleichzeitig den Fertigungsaufwand für das Kraftstoffeinspritzventil, speziell für die Düsennadel, zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe ist die hubabhängige Drosselstelle zwischen Düsennadelspitze und Düsenkörper, die beim Abheben der Düsennadel vom Düsennadelsitz entsteht, als Spaltdrossel bzw. Drosselstelle vorteilhaft zu verwenden, so dass stromaufwärts zwischen Düsenkörper und Düsennadel nur noch eine weitere Spaltdrossel bzw. Drosselstelle angeordnet sein muss, um die oben genannte Einspritzcharakteristik zu erzielen. Dadurch wird der Fertigungsaufwand für die Düsennadel reduziert. Hochdrucküberschwinger am Düsennadelsitz werden ebenso minimiert wie beim bekannten Kraftstoffeinspritzventil.
Dazu weist das Kraftstoffeinspritzventil einen in einem Düsenkörper ausgebildeten Druckraum auf, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist. Eine an der Düsennadel ausgebildete Düsennadelspitze wirkt mit einem am Düsenkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung, wobei beim Abheben der Düsennadelspitze vom Düsennadelsitz zwischen der Düsennadelspitze und dem Düsennadelsitz eine erste Drosselstelle ausgebildet wird. Ein an der Düsennadel ausgebildeter Mittelbereich bildet mit einem am Düsenkörper ausgebildeten Schaftbereich an dessen Innenfläche eine zweite Drosselstelle, die über einen ersten Teilhub der Düsennadel einen konstanten Durchflussquerschnitt aufweist. So wird die erste Drosselstelle als hubabhängige Drossel verwendet und die zweite Drosselstelle als zumindest bis zum ersten Teilhub der Düsennadel hubunabhängige Drossel.
Vorteilhafterweise ist der erste Teilhub kleiner als 20% eines Maximalhubs der Düsennadel. Die erste und die zweite Drosselstelle sind bei Düsennadelhüben bis zum ersten Teilhub besonders wirksam; in diesem Bereich bestimmen vor allem sie durch ihre Drosselfunktionen die Einspritzcharakteristik während der Voreinspritzungen bzw. während der
Kleinstmengenbetriebs und nicht die wenigstens eine Einspritzöffnung.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils weist der Mittelbereich zumindest einen, vorzugsweise jedoch drei in Längsrichtung der Düsennadel- achse verlaufende Drosselanschliffe der Tiefe h auf, die mit der Innenfläche die zweite Drosselstelle bilden. Dadurch wird die zweite Drosselstelle nicht über den gesamten Umfang des Mittelbereichs der Düsennadel gebildet, sondern über die Drosselanschliffe. So müssen zum einen die Fertigungstoleranzen zwischen dem Mittelbereich der Düsennadel und dem Schaftbereich des Düsenkörpers nicht zu eng gefasst werden, zum anderen kann die Drosselfunktion der zweiten Drosselstelle im Betrieb (z.B. bei extremen Temperaturen bzw. Temperaturunterschieden) robuster gehalten werden.
Vorteilhafterweise ist die zumindest ein Drosselanschliff an einer Nutstirnseite mit dem Radius R zu einer zylindrischen Mantelfläche des Mittelbereichs verrundet. Dadurch kann zum einen eine günstige Kraftstoffströmung in den Drosselanschliff erzielt werden, zum anderen wird eine unerwünschte Gratbildung vermieden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind mehrere Einspritzöffnungen vorhanden, und während des ersten Teilhubs ist der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle geringer als der summierte Durchflussquerschnitt aller Einspritzöffnungen, vorzugsweise um mehr als 50% geringer. Dadurch ist die Drosselwirkung der Einspritzöffnungen im Vergleich zur Drosselwirkung der ersten Drosselstelle gering, und somit wird die Einspritzcharakteristik im Kleinstmengenbetrieb bzw. im Teillastbereich bis zum ersten Teilhub kaum vom Durchflussquerschnitt der Einspritzöffnungen beeinflusst.
Vorteilhafterweise ist der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle bei Erreichen des ersten Teilhubs der Düsennadel zumindest näherungsweise so groß wie der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle. Je nach Applikation und Düsennadelhub kann entweder die erste oder die zweite Drosselstelle als wesentliche Drosselfunktion für den ersten Teilhub verwendet werden. Bis zum ersten Teilhub haben jedoch beide Drosselstellen vorteilhafterweise einen geringeren Durchflussquerschnitt als der summierte Durchflussquerschnitt aller Einspritzöffnungen. Dadurch reduziert sich beim Düsennadelschließen der Systemdruck im Druckraum zwischen der ersten Drosselstelle und den Einspritzöffnungen, so dass sich die hydraulisch resultierende schließende Kraft auf die Düsennadel erhöht und es zu einem schnelleren Schließen der Düsennadel kommt und damit auch zu einer besseren Einspritzcharakteristik bei kleinen Einspritzmengen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils weist die zweite Drosselstelle zwischen dem ersten Teilhub und einem zweiten Teilhub der Düsennadel, der größer als der erste Teilhub und kleiner als der Maximalhub ist, einen sich stetig erweiternden Durchflussquerschnitt auf. Dadurch ist im Teillastbereich bei Hüben, die größer als der erste Teilhub sind, die Druckdifferenz im Druckraum stromaufwärts zu stromabwärts der zweiten Drosselstelle weniger stark ausgeprägt; während der Öffnungshubbewegung ist somit die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf die Düsennadel in diesem Bereich größer und die Düsennadel öffnet schneller.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle ab dem zweiten Teilhub größer als der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle. Damit herrscht im gesamten Druckraum annähernd gleich hoher Druck; die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf die Düsennadel ist maximal. Ab dem zweiten Teilhub der Düsennadel sinkt der Einfluss der zweiten Drosselstelle auf die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils; die Einspritzcharakteristik wird in diesem Hubbereich vorwiegend von der ersten Drosselstelle und/oder den Einspritzöffnungen bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausführung weist der Mittelbereich der Düsennadel im Bereich der zweiten Drosselstelle einen sich zur Düsennadelspitze hin verjüngenden Übergangsbereich auf, wobei der Übergangsbereich entweder als Fase ausgeführt ist, vorzugsweise mit einem Winkel α von 35° bis 80° zur zylindrischen Mantelfläche des Mittelbereichs, oder zumindest eine konkave Kreisbogenform mit Radius R aufweist. Dadurch wird der Durchflussquerschnitt durch die zweite Drosselstelle erhöht, wenn der sich verjüngende Übergangsbereich der Düsennadel mit dem Schaftbereich des Düsenkörpers die zweite Drosselstelle bildet, also bei Düsennadelhüben größer als der erste Teilhub bis zum Erreichen des zweiten Teilhubs. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teilhub der Düsennadel erhöht sich die Spaltbreite der zweiten Drosselstelle dadurch bei gleichzeitig einfacher Fertigung. Je nach Anforderung kann die Ausführung des Übergangsbereichs als Fase oder als konkave Kreisbogenform vorteilhafter sein. In Abhängigkeit des Winkels zwischen Übergangsbereich und Mittelbereich, im Falle der konkaven Kreisbogenform des Winkels zwischen Mantelfläche und gedachter tangentialer Verlängerung der Kreisbogenform, und in Abhängigkeit der Fasenlänge bzw. Kreisbogenlänge kann so die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffe insp ritz - ventils im Teillastbereich applikationsabhängig gestaltet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Düsennadelspitze zwischen Übergangsbereich und Düsennadelsitz Längsschliffe auf, die in Richtung der Düsennadelachse verlaufen. Als Düsennadelspitze ist der gesamte Bereich der Düsennadel ab dem Übergangsbereich in Richtung des Brennraums der Brennkraftmaschine bezeichnet. Dadurch wird ein ausreichender Kraftstofffluss zwischen erster und zweiter Drosselstelle durch die Längsschliffe bei gleichzeitig guter Führung der Düsennadelspitze im Schaftbereich des Düsenkörpers erzielt. Die Führung der Düsennadelspitze im Schaftbereich erfolgt an den Flächen der Düsennadelspitze, auf denen keine Längsschliffe ausgebildet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Längsschliffe zum Übergangsbereich jeweils mit dem Radius R verrundet. Dadurch stellen die Verrundungen der Längsschliffe gleichzeitig den Übergangsbereich der Düsennadel dar, und die zweite Drosselstelle kann düsenna- delseitig mit demselben Werkzeug gefertigt werden wie die Längsschliffe.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist beim Maximalhub der Düsennadel der summierte Durchflussquerschnitt aller Einspritzöffnungen geringer als der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle und geringer als der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle. Dadurch bestimmen beim Maximalhub, also für große Einspritzmengen im Volllastbetrieb, vor allem die Einspritzöffnungen die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils. Somit müssen die Spaltbreiten der ersten und zweiten Drosselstelle nicht über den gesamten Hub der Düsennadel robust ausgeführt sein, was eine äußerst hohe Fertigungsgenauigkeit bedeuten würde.
Ein Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils mit den folgenden Merkmalen: einen in einem Düsenkörper ausgebildeten Druckraum, in dem eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist, wobei eine an der Düsennadel ausgebildete Düsennadelspitze mit einem am Düsenkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt, wobei beim Abheben der Düsennadelspitze vom Düsennadelsitz zwischen der Düsennadelspitze und dem Düsennadelsitz eine erste Drosselstelle ausgebildet wird, wobei ein an der Düsennadel ausgebildeter Mittelbereich an seiner Mantelfläche mit einem am Düsenkörper ausgebildeten Schaftbereich an dessen Innenfläche eine zweite Drosselstelle bilden, wobei an der Düsennadel ein Mittelbereich ausgebildet ist und die Düsennadelspitze zwischen Mittelbereich und Düsennadelsitz Längsschliffe aufweist, die in Richtung der Düsennadelachse verlaufen, wobei die Längsschliffe zum Mittelbereich hin in einem konkaven Übergangsbereich verrundet sind, welcher eine erste Verrundung und eine zweite Verrundung aufweist, wobei die zweite Drosselstelle über einen ersten Teilhub der Düsennadel einen konstanten Durchflussquerschnitt aufweist und wobei die zweite Drosselstelle zwischen dem ersten Teilhub und einem zweiten Teilhub der Düsennadel, der größer als der erste Teilhub ist, einen sich stetig erweiternden Durchflussquerschnitt aufweist, umfasst folgende Verfahrensschritte, die mit einem Schleifwerkzeug ausgeführt werden: Schleifen der planaren Fläche eines Längsschliffes,
Schleifen der zweiten Verrundung, die durch einen konvexen Radius R des Schleifwerkzeugs zusammen mit der planaren Fläche gefertigt wird,
Schleifen der ersten Verrundung durch den Radius R des Schleifwerkzeugs während das Schleifwerkzeug von der planaren Fläche des Längsschliffs abgehoben ist,
Wiederholen der vorangegangenen Schritte für alle Längsschliffe.
Dadurch werden die Verrundungen im Übergangsbereich und die Längsschliffe mit einem Werkzeug gefertigt, was den Fertigungsaufwand deutlich reduziert. Vorteilhafterweise werden die Schritte 1) und 2) zusammen in einem Fertigungsschritt durchgeführt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens, wobei der Mittelbereich in Längsrichtung der Düsennadelachse verlaufende Drosselanschliffe der Tiefe h aufweist, die jeweils in die erste Verrundung der Längsschliffe auslaufen, umfasst folgende zusätzliche bzw. abgeänderte Verfahrensschritte, die mit einem Schleifwerkzeug ausgeführt werden:
3b) Schleifen des Drosselanschliffs (40) zusammen mit einer an dem Drosselanschliff (40) ausgebildeten Nutstirnseite (42), die ebenfalls den Radius R aufweist.
Wiederholen der vorangegangenen Schritte für alle Längsschliffe (38) und alle Drosselanschliffe (40). In einer vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens werden die erste Verrundung unter einem ersten Winkel α und die zweite Verrundung unter einem zweiten Winkel ß zur zylindrischen Mantelfläche geschliffen, wobei α < ß ist, und die erste Verrundung und die zweite Verrundung den gleichen Radius R besitzen, wobei die zweite Verrundung tangential zu den Längsschliffen auslaufend geschliffen wird und das Schleifwerkzeug eine entsprechende Negativform aufweist. Durch die Winkelbeziehung α < ß wird der Durchflussquerschnitt durch die zweite Drosselstelle ab dem zweiten Teilhub stärker vergrößert als zwischen dem ersten und dem zweiten Teilhub. Da die erste und die zweite Verrundung den gleichen Radius R besitzen, kann für die Schleifverfahren derselbe Radius des Schleifwerkzeugs verwendet werden. Durch den tangentialen Auslauf von der zweiten Verrundung zu den Längsschliffen wird am Übergang der Längsschliffe zum Übergangsbereich eine scharfe Kante bzw. eine Gratbildung vermieden; nachfolgende entgratende Fertigungsschritte können an diesem Übergang entfallen.
Zeichnungen
Fig.l zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil in einer schematischen Darstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils in einer schematischen Darstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.3 zeigt den mit III bezeichneten Ausschnitt der Fig.2
Fig.4 zeigt den mit IV bezeichneten Ausschnitt der Fig.3
Fig.5 zeigt einen Schritt eines Fertigungsverfahrens der Ausführungsform aus Fig.2.
Beschreibung
Fig.l zeigt schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 100 im Längsschnitt. Das Kraftstoffe insp ritz ventil 100 weist einen in einem Düsenkörper 10 ausgebildeten Druckraum 20 auf, in dem eine Düsennadel 30 längsverschiebbar angeordnet ist. Durch die Längsbewegung der Düsennadel 30 wirkt eine an der Düsennadel 30 ausge- bildete Düsennadelspitze 31 mit einem am Düsenkörper 10 ausgebildeten Düsennadelsitz 11 zusammen und öffnet und schließt dadurch zumindest eine im Düsenkörper 10 ausgebildete Einspritzöffnung 19 zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum 110 einer Brennkraftmaschine.
Bei vom Düsennadelsitz 11 abgehobener Düsennadelspitze 31 entsteht zwischen Düsennadelsitz 11 und Düsennadelspitze 31 eine erste Drosselstelle 12.
An die Düsennadelspitze 31 schließen sich als weitere Bestandteile der Düsennadel 30 brennraumabgewandt ein Übergangsbereich 37 und ein Mittelbereich 34 an. Der Mittelbereich 34 weist eine zylindrische Mantelfläche 35 mit Durchmesser d35 auf, der Übergangsbereich 37 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel konisch mit einem Winkel α zur zylindrischen Mantelfläche 35 ausgeführt.
Der Düsenkörper 10 weist einen Schaftbereich 14 mit einer zylindrischen Innenfläche 15 des Durchmesser di5 auf und sich brennraumabgewandt daran anschließend eine Düsenkörper- schulter 17, deren Innendurchmesser sich in brennraumabgewandter Richtung erweitert. In geschlossener Position der Düsennadel 30, also bei Kontakt der Düsennadelspitze 31 mit dem Düsennadelsitz 11, ist sich an die Düsenkörperschulter 17 brennraumseitig anschließend zwischen Innenfläche 15 und Mantelfläche 35 ein zweiter Drosselspalt 50 mit der Breite (di5-d35)/2 und mit der Länge Si ausgebildet, wobei die Länge Si einem ersten Teilhub Si entspricht. Der zweite Drosselspalt 50 teilt den Druckraum 20 in einen brennraumabgewand- ten oberen Druckraum 21 und einem brennraumzugewandten unteren Druckraum 22.
Ein zweiter Teilhub s2 ist durch die Summe des ersten Teilhubs Si und die axiale Länge IÜ des Übergangsbereichs 37 definiert. Der Maximalhub v der Düsennadel 30 ist größer als der zweite Teilhub s2, es gilt für dieses Ausführungsbeispiel: v > s2 > 5j , mit s 2 = Sj + 10
Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 100. Unterschiede zu der Ausführungsform der Fig.l sind im Wesentlichen die Anordnung von Längsschliffen 38 auf der Düsennadelspitze 31 und die Ausbildung der zweiten Drosselstelle 50 nicht über den gesamten Umfang des Mittelbereichs 34 der Düsennadel 30, sondern nur noch im Bereich von im Mittelbereich 34 angeordneter Drosselanschliffe 40. Im Mittelbereich 34 der Düsennadel 30 sind Drosselanschliffe 40 mit der Tiefe h in Längsrichtung der Düsennadel 30 angeordnet, die in den Übergangsbereich 37 der Düsennadel 30 führen. Vorzugsweise beträgt die Tiefe h 25 μηη bis 40 μηη. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist drei Drosselanschliffe 40 auf, die gleichverteilt über den Umfang angeordnet sind. Weitere Ausführungsformen mit zwei bzw. vier Drosselanschliffen 40 sind ebenfalls möglich.
Ein Drosselanschliff 40 besteht aus einem üblicherweise planaren Nutgrund 41, der in den Übergangsbereich 37 ausläuft und einer Nutstirnseite 42, die als Verrundung mit dem Radius R zur Mantelfläche 35 des Mittelbereichs 34 ausgeführt ist.
Die zweite Drosselstelle 50 wird im Wesentlichen zwischen den Drosselanschliffen 40 und der zylindrischen Innenfläche 15 des Schaftbereichs 14 des Düsenkörpers 10 gebildet. Der Durchmesser d35 der Mantelfläche 35 des Mittelbereichs 34 ist in dieser Ausführungsform nur geringfügig kleiner als der Durchmesser di5 der Innenfläche 15 des Schaftbereichs 14, so dass außerhalb der Drosselanschliffe 40 zwischen Mittelbereich 34 und Schaftbereich 14 kein Drosselspalt ausgebildet wird; in diesen Bereichen ist die Düsennadel 30 zum Düsenkörper 10 nahezu dicht.
Auf der Düsennadelspitze 31 sind in dieser Ausführungsform Längsschliffe 38 angeordnet, die stromabwärts der zweiten Drosselstelle 50 einen wesentlichen Teil des Durchflussquerschnitts zwischen Düsennadelspitze 31 und Schaftbereich 14 ausbilden. Die Längsschliffe 38 sind nahezu über die gesamte Länge der Düsennadelspitze 31 ausgeführt, also vom Übergangsbereich 37 bis nahe zur ersten Drosselstelle 12, und besitzen weitestgehend eine planare Grundfläche. Im Übergangsbereich 37 zum Mittelbereich 34 sind die Längsschliffe 38 verrundet, im Querschnitt betrachtet zunächst mit der zweiten Verrundung 37b, die vorzugsweise tangential in die planare Grundfläche des Längsschliffs 38 ausläuft, und daran anschließend mit der ersten Verrundung 37a, wobei beide Verrundungen 37a, 37b denselben Radius R aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform kann der Übergangsbereich 37 anstelle von zwei
Verrundungen 37a, 37b auch als Fase und Absatz - ähnlich der Fig.l - ausgeführt sein, die jedoch nur im Bereich der Längsschliffe 38 angeordnet sind.
In der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform sind über den Umfang der Düsennadelspitze 31 drei Längsschliffe 38 gleichmäßig verteilt ausgebildet und so angeordnet, dass die Längsschliffe 38 im Übergangsbereich 37 jeweils in einen Drosselanschliff 40 münden. Demzufol- ge verändert sich in anderen Ausführungsbeispielen die Anzahl der Längsschliffe 38 analog zur Anzahl der Drosselanschliffe 40 zu zwei bzw. vier Längsschliffen 38.
In dem im Schaftbereich 14 liegenden Bereich der Düsennadelspitze 31, der nicht mit Längsschliffen 38 versehen ist, besitzt die Düsennadelspitze 31 eine zylindrische Form mit dem gleichen Durchmesser d35 wie die Mantelfläche 35 des Mittelbereichs 34; dadurch kann die Düsennadelspitze 31 bei Hubbewegungen der Düsennadel 30 gut im Düsenkörper 10 geführt werden.
Fig.3 zeigt zur besseren Veranschaulichung den Ausschnitt III der Fig.2 im Bereich der zweiten Drosselstelle 50 bei geschlossener Düsennadel 30.
Die zweite Drosselstelle 50 ist zwischen der Innenfläche 15 des Schaftbereichs 14 mit Durchmesser di5 und den Drosselanschliffen 40 des Mittelbereichs 34 über die Länge Si ausgebildet.
Der konkave Übergangsbereich 37 der Düsennadel 30 zwischen Mittelbereich 34 und Düsennadelspitze 31 unterteilt sich in eine erste Verrundung 37a, die an den Mittelbereich 34 grenzt, und eine zweite Verrundung 37b, die an die Düsennadelspitze 31 grenzt. Die erste Verrundung 37a verläuft unter einem Winkel α zur Mantelfläche 35 bzw. zum Nutgrund 41 und schließt sich direkt an diese an. Die zweite Verrundung 37b ist zwischen der ersten Verrundung 37a und der Düsennadelspitze 31 ausgebildet; ihr gedachter tangentialer Auslauf verläuft unter einem Winkel ß zur Mantelfläche 35 bzw. zum Nutgrund 41. Die zylindrische Mantelfläche 35 ist koaxial zu einer Düsennadelachse 39 der Düsennadel 30 angeordnet. Beide Verrundungen 37a, 37b weisen denselben Radius R auf, mit dem auch die Nutstirnseite 42 verrundet ist. Die Bogenlänge der ersten Verrundung 37a ist jedoch kleiner als die Bogenlänge der zweiten Verrundung 37b.
In der dargestellten geschlossenen Position der Düsennadel 30 sind der erste Teilhub Si, der zweite Teilhub s2 und der Maximalhub v der Düsennadel 30 skizziert. Als axialer Bezug 16 entlang der Düsennadelachse 39 wird dazu die Kante zwischen der Düsenkörperschulter 17 und der Innenfläche 15 des Schaftbereichs 14 des Düsenkörpers 10 verwendet, ab der sich in brennraumabgewandter Richtung der Durchmesser der Bohrung des Düsenkörpers 10 erweitert und damit das Volumen des Druckraums 20 zunimmt: Der erste Teilhub Si beschreibt den axialen Abstand entlang der Düsennadelachse 39 vom Bezug 16 zum Übergang von dem Drosselanschliff 40 zur ersten Verrundung 37a.
Der zweite Teilhub s2 beschreibt den axialen Abstand entlang der Düsennadelachse 39 vom Bezug 16 zum Übergang von der ersten Verrundung 37a zur zweiten Verrundung 37b.
Der Maximalhub v kann je nach Applikation eine Höhe aufweisen, die vom Bezug 16 entweder bis in die zweite Verrundung 37b führt, oder bis in die Düsennadelspitze 31.
Fig.4 zeigt den Ausschnitt IV der Fig.3. Dargestellt sind der erste Winkel α der ersten Verrundung 37a und der zweite Winkel ß der zweiten Verrundung 37b zum Nutgrund 41 des Drosselanschliffs 40, der im Mittelbereich 34 der Düsennadel 30 ausgebildet ist. Die gestrichelten Linien zeigen jeweils den tangentialen Auslauf der beiden Verrundungen als Bezug für die beiden Winkel. Idealerweise gilt: 0° < α < ß < 90°. Dabei verläuft der Nutgrund 41 im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit parallel zur Längsachse der Düsennadel 30 und damit auch parallel zur Mantelfläche 35 des Mittelbereichs 34.
Fig.5 zeigt einen Herstellungsschritt zur Fertigung der Düsennadel 30 aus dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2-4: es wird eine erste Verrundung 37a geschliffen. Dabei ist ein Schleifwerkzeug 200 mit einem konvexen Radius R in Anlage an die erste Verrundung 37a eines Längsschliffs 38 gebracht. Zur Bearbeitung der planaren Flächen der Längsschliffe 38 weist das Schleifwerkzeug 200 ebenfalls eine planare Fläche auf, die im dargestellten Herstellungsschritt jedoch beabstandet zur planaren Fläche des Längsschliffs 38 angeordnet ist. In einem nächsten Schritt kann der zum Längsschliff 38 gehörige Drosselanschliff 40 gefertigt werden, indem die planare Fläche des Schleifwerkzeugs 200 den Nutgrund 41 bearbeitet und der konvexe Radius R die Nutstirnseite 42.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 100 ist wie folgt:
Bei geschlossener Stellung der Düsennadel 30 ist die Düsennadelspitze 31 in Anlage an den Düsennadelsitz 11, so dass die Einspritzöffnungen 19 vom Druckraum 20 bzw. vom unteren Druckraum 22 getrennt sind und demzufolge kein Kraftstoff in den Brennraum 110 eingespritzt wird. Die zweite Drosselstelle 50 ist zwischen der Innenfläche 15 des Schaftbereichs 14 mit Durchmesser di5 und der Mantelfläche 35 des Mittelbereichs 34 mit Durchmesser d35 bzw. den Drosselanschliffen 40 über die Länge Si ausgebildet, die dem ersten Teilhub Si entspricht. Zu Beginn des Einspritzvorgangs wird die Düsennadel 30 über eine Steuervorrichtung, beispielsweise das Absenken eines Drucks auf eine dem Brennraum 110 entgegengesetzte Stirnseite der Düsennadel 30, vom Düsennadelsitz 31 abgehoben, so dass die hydraulische Verbindung zwischen Druckraum 20 bzw. unterem Druckraum 22 und Einspritzöffnungen 19 geöffnet und die erste Drosselstelle 12 ausgebildet wird. Mit zunehmendem Hub der Düsennadel 30 erhöht sich der Durchflussquerschnitt durch die erste Drosselstelle 12, die somit hubabhängig ist.
Bis zum ersten Teilhub Si, der vorteilhafterweise kleiner als 20% des Maximalhubs v der Düsennadel 30 ist, bleibt die Spaltbreite der zweiten Drosselstelle 50 unverändert und damit hubunabhängig:
Im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig.l: (di5-d35)/2 über den gesamten Umfang des Mittelbereichs 34
Im Falle des Ausführungsbeispiels der Figuren 2-4: ~ h über die Breite der Drosselanschliffe 40.
Üblicherweise beträgt der erste Teilhub Si weniger als 20% des Maximalhubs v der Düsennadel 30, im Falle von Kraftstoffeinspritzventilen für Pkw-Motoren beispielsweise weniger als 80 μηη. Weiterhin ist bis zum ersten Teilhub Si der Durchflussquerschnitt durch die erste Drosselstelle 12 geringer als der Durchflussquerschnitt durch die Einspritzöffnung 19, oder im Falle mehrerer Einspritzöffnungen 19 geringer als der summierte Durchflussquerschnitt durch alle Einspritzöffnungen 19, vorzugsweise um mehr als 50% geringer.
Bei Erreichen des ersten Teilhubs Si ist der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle 12 zumindest näherungsweise so groß ist wie der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle 50. Die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils 100 bis zum ersten Teilhub Si bestimmen folglich vor allem die erste Drosselstelle 12 und die zweite Drosselstelle 50.
Ab dem ersten Teilhub Si erweitert sich auch der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle 50, die damit hubabhängig wird. Je nach Ausführungsbeispiel kann dies beispielsweise durch einen als Fase mit dem Winkel α ausgeführten über den gesamten Umfang der Düsennadel 30 ausgebildeten Übergangsbereich 37 - wie in Fig.l dargestellt - oder durch einen verrundeten Übergangsbereich 37 mit einer ersten Verrundung 37a, entweder über den gesamten Umfang der Düsennadel 30 verteilt, oder abschnittsweise im Bereich von Längsschliffen 38 angeordnet - wie in Figuren 2-5 dargestellt - umgesetzt werden: die Düsennadel 30 verjüngt sich im Übergangsbereich 37 - entweder über den gesamten Umfang oder im Bereich der Längsschliffe 38 - und dadurch erhöht sich die Breite der zweiten Drosselstelle 50, sobald der Übergangsbereich die zweite Drosselstelle 50 ausbildet, also sobald der Übergangsbereich 37 während der Hubbewegung der Düsennadel 30 den axialen Bezug 16 durchfährt.
Auch bei Erreichen des zweiten Teilhubs s2 ist der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle 12 zumindest näherungsweise so groß wie der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle 50. Somit gilt für den gesamten Hubbereich zwischen dem ersten Teilhub Si und dem zweiten Teilhub s2, dass der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle 12 zumindest näherungsweise so groß wie der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle 50 ist. Dadurch wird beim Schließvorgang der Düsennadel 30 in diesem Hubbereich ein Großteil des Impulses des durch den Druckraum 20 in Richtung Einspritzöffnungen 19 strömenden Kraftstoffs an der zweiten Drosselstelle 50 abgebaut, ohne dass im
Kleinstmengenbetrieb im gleichen Hubbereich stromabwärts der zweiten Drosselstelle 50 der Druckraum 20 leer läuft.
Ab dem zweiten Teilhub s2 steigt der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle 50 stärker an als zwischen dem ersten Teilhub Si und dem zweiten Teilhub s2. Applikationsabhängig kann dies beispielsweise über einen senkrechten Absatz an der Düsennadel 30 - wie in Fig.l dargestellt - oder durch eine zweite Verrundung 37b im Übergangsbereich 37 - wie in Figuren 2-5 dargestellt - umgesetzt werden, je nach Ausführungsform auch wieder über den gesamten Umfang der Düsennadel 30 oder nur im Bereich von Längsschliffen 38:
Der senkrechte Absatz des Ausführungsbeispiels der Fig.l führt zu einem sprunghaften Anstieg des Durchflussquerschnitts der zweiten Drosselstelle 50. Praktisch existiert für den Kraftstofffluss durch den Druckraum 20 zu den Einspritzöffnungen 19 die zweite Drosselstelle 50 ab Hüben der Düsennadel 30, die größer sind als der zweite Teilhub s2, bei diesem Ausführungsbeispiel nicht mehr. Der obere Druckraum 21 und der untere Druckraum 22 weisen den gleichen Druck auf.
Die zweite Verrundung 37b der Ausführungsbeispiele der Figuren 2-5 führt zu einem stärkeren Anstieg des Durchflussquerschnitts der zweiten Drosselstelle 50 als in der vorherigen Hubphase zwischen dem ersten Teilhub Si und dem zweiten Teilhub s2, jedoch nicht zu einem sprunghaften Anstieg. Dazu weist die zweite Verrundung 37b einen tangentialen Winkel ß zur Mantelfläche 35 bzw. zum Nutgrund 41 auf, der größer ist als der tangentiale Winkel α der ersten Verrundung 37a zur Mantelfläche 35 bzw. zum Nutgrund 41 aber kleiner oder gleich 90°. Vorteilhafterweise werden beide Verrundungen 37a und 37b mit demselben Radius R gefertigt, die zweite Verrundung 37b hat jedoch eine größere Kreisbogenlänge.
Bei Erreichen des Maximalhubs v wird der Kraftstoff bei seinem Fluss vom Druckraum 20 in den Brennraum 110 annähernd ausschließlich durch die Einspritzöffnungen 19 gedrosselt. Sowohl an der ersten Drosselstelle 12 als auch der zweiten Drosselstelle 50 findet praktisch kein Druckabfall mehr statt. Die Einspritzcharakteristik des Kraftstoffeinspritzventils 100 bestimmen beim Maximalhub v folglich vor allem die Einspritzöffnungen 19. Dazu ist die Düsennadel 30 beim Maximalhub v soweit vom Düsennadelsitz 11 abgehoben, dass im Bereich der zweiten Drosselstelle 50 der Kante von Düsenkörperschulter 17 zur Innenfläche 15 des Düsenkörpers 10, also auf Höhe des axialen Bezugs 16, ein Bereich der Düsennadel 30 gegenüberliegt, der einen entsprechend geringeren Querschnitt als die durch den Durchmesser d35 bestimmte Fläche aufweist, so dass ein vergleichsweise großer Spalt zwischen Düsenkörper 10 und Düsennadel 30 entsteht:
Im Ausführungsbeispiel der Fig.l ist dieser Bereich die aufgrund des senkrechten Absatzes gegenüber dem Übergangsbereich 37 verjüngte Düsennadelspitze 31.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 2-5 kann dies ebenfalls die Düsennadelspitze 31sein, oder aber ein Bereich im Übergangsbereich 37, der auf Höhe der zweiten
Verrundung 37b liegt.
Im Folgenden werden Fertigungsschritte mit einem Schleifwerkzeug 200 für die Düsennadel 30 beschrieben, wie sie für das Ausführungsbeispiel der Figuren 2-5 verwendet werden können:
Zu Beginn werden die zylindrische Mantelfläche 35 des Mittelbereichs 34 und die Düsennadelspitze 31 zylindrisch auf den Durchmesser d35 gefertigt. Hier ist eine weniger hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich, um einen definierten Durchflussquerschnitt durch die zweite Drosselstelle 50 bis zum ersten Teilhub Si zu erzielen, als wenn die zweite Drosselstelle 50 über den gesamten Umfang der Düsennadel 30 ausgebildet wäre, da anschließend noch die Drosselanschliffe 40 gefertigt werden. Dieser Fertigungsschritt kann mit dem Schleifwerkzeug 200 durchgeführt werden; vorteilhafterweise wird er jedoch in einem vorgelagerten Herstellungsschritt durch eine Drehbearbeitung durchgeführt. Im nächsten Fertigungsschritt wird mit dem Schleifwerkzeug 200 zunächst die planare Fläche eines Längsschliffes 38 auf der Düsennadelspitze geschliffen.
Anschließend oder im gleichen Fertigungsschritt wird die zweite Verrundung 37b am Auslauf des Längsschliffs 38 geschliffen. Dazu weist das Schleifwerkzeugs 200 einen konvexen Radius R auf, der dem konkaven Radius R der zweiten Verrundung 37b entspricht, also eine Negativform der zweiten Verrundung 37b bildet.
Im folgenden Fertigungsschritt wird die erste Verrundung 37a durch den Radius R des Schleifwerkzeugs 200 geschliffen, während das Schleifwerkzeug 200 von der planaren Fläche des Längsschliffs 38 abgehoben ist, wie in Fig.5 zu sehen ist. Dabei steht nicht der gesamte Radius R des Schleifwerkzeugs 200 mit der Düsennadel 30 in Eingriff, so dass die Kreisbogenlänge der ersten Verrundung 37a kürzer gefertigt wird als die Kreisbogenlänge der zweiten Verrundung 37b.
3b) Anschließend wird ein Drosselanschliff 40 geschliffen. Dabei wird der planare Nutgrund 41 mit der planaren Fläche des Schleifwerkzeugs 200 und die Nutstirnseite 42 mit dem konvexen Radius R des Schleifwerkzeugs 200 geschliffen, wobei nur ein kleiner Teil des Schleifwerkzeugs 200 mit der Düsennadel 30 in Eingriff steht.
Die vorangegangenen Fertigungsschritte 1 bis 3b werden anschließend für die restlichen Längsschliffe 38 und Drosselanschliffe 40 wiederholt. Vorteilhafterweise werden insgesamt drei Längsschliffe 38 und drei Drosselanschliffe 40 gefertigt, die über den Umfang der Düsennadelspitze 31 gleichverteilt angeordnet sind, wobei jeweils ein Drosselanschliff 40 in eine erste Verrundung 37a eines Längsschliffs 38 ausläuft.
Vorteilhafterweise werden die Schritte 1) und 2) zusammen in einem Fertigungsschritt durchgeführt, da das Schleifwerkzeug 200 die entsprechende Negativform von planarer Fläche des Längsschliffs 38 und zweiter Verrundung 37b besitzt.
Es ist auch eine andere als die oben beschriebene Fertigungsreihenfolge denkbar: zum Beispiel können die zylindrische Mantelfläche 35 und der zylindrische Bereich der Düsennadelspitze 31 erst am Ende der Fertigungskette auf den Durchmesser d35 gefertigt werden, die Fertigungsreihenfolge wäre dann l-2-3-3b-4-0. Oder Drosselanschliffe 40, Längsschliffe 38, Verrundungen 37 und Mantelfläche 35 werden von außen nach innen gefertigt, in der Reihenfolge 0-3b-3-2-l-4.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil (100) für Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck mit einem in einem Düsenkörper (10) ausgebildeten Druckraum (20), in dem eine Düsennadel (30) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei eine an der Düsennadel (30) ausgebildete Düsennadelspitze (31) mit einem am Düsenkörper (10) ausgebildeten Düsennadelsitz (11) zusammenwirkt und dadurch wenigstens eine Einspritzöffnung (19) öffnet und schließt, wobei beim Abheben der Düsennadelspitze (31) vom Düsennadelsitz (11) zwischen der Düsennadelspitze (31) und dem Düsennadelsitz (11) eine erste Drosselstelle (12) ausgebildet wird, wobei ein an der Düsennadel (30) ausgebildeter Mittelbereich (34) mit einem am Düsenkörper (10) ausgebildeten Schaftbereich (14) an dessen Innenfläche (15) eine zweite Drosselstelle (50) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drosselstelle (50) über einen ersten Teilhub (si) der Düsennadel (30) einen konstanten Durchflussquerschnitt aufweist.
2. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilhub (sj der Düsennadel (30) kleiner als 20% eines Maximalhubs (v) der Düsennadel (30) ist.
3. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (34) zumindest einen, vorzugsweise jedoch drei in Längsrichtung der Düsennadelachse verlaufende Drosselanschliffe (40) der Tiefe h aufweist, die mit der Innenfläche (15) die zweite Drosselstelle (50) bilden.
4. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Drosselanschliff (40) an einer Nutstirnseite (42) mit dem Radius R zu einer zylindrischen Mantelfläche (35) des Mittelbereichs (34) verrundet ist.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einspritzöffnungen (19) vorhanden sind und während des ersten Teilhubs (sj der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle (12) geringer ist als der summierte Durchflussquerschnitt aller Einspritzöffnungen (19), vorzugsweise um mehr als 50% geringer.
6. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle (50) bei Erreichen des ersten Teilhubs (si) der Düsennadel (30) zumindest näherungsweise so groß ist wie der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle (12).
7. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drosselstelle (50) zwischen dem ersten Teilhub (si) und einem zweiten Teilhub (s2) der Düsennadel (30), der größer als der erste Teilhub (si) und kleiner als der Maximalhub
(v) ist, einen sich stetig erweiternden Durchflussquerschnitt aufweist.
8. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle (50) ab dem zweiten Teilhub (s2) größer ist als der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle (12).
9. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (34) im Bereich der zweiten Drosselstelle (50) einen sich zur Düsennadelspitze (31) hin verjüngenden Übergangsbereich (37) aufweist, wobei der Übergangsbereich (37) entweder als Fase ausgeführt ist, vorzugsweise mit einem Winkel α von 35° bis 80° zur zylindrischen Mantelfläche (35) des Mittelbereichs (34), oder im Querschnitt zumindest eine konkave Kreisbogenform mit Radius R aufweist.
10. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadelspitze (31) zwischen Übergangsbereich (37) und Düsennadelsitz (11) Längsschliffe (38) aufweist, die in Richtung der Düsennadelachse verlaufen.
11. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsschliffe (38) zum Übergangsbereich (37) jeweils mit dem Radius R verrundet sind.
12. Kraftstoffeinspritzventil (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Maximalhub (v) der Düsennadel (30) der summierte Durchflussquerschnitt aller Einspritzöffnungen (19) geringer ist als der Durchflussquerschnitt der ersten Drosselstelle (12) und geringer ist als der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle (50).
13. Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils (100) nach Anspruch 1, wobei die Düsennadelspitze (31) zwischen Mittelbereich (34) und Düsennadelsitz (11) Längsschliffe (38) aufweist, die in Richtung der Düsennadelachse verlaufen, wobei die Längsschliffe (38) zum Mittelbereich (34) hin in einem konkaven Übergangsbereich (37) verrundet sind, welcher eine erste Verrundung (37a) und eine zweite Verrundung (37b) aufweist, wobei die zweite Drosselstelle (50) zwischen dem ersten Teilhub (si) und einem zweiten Teilhub (s2) der Düsennadel, der größer als der erste Teilhub (si) ist, einen sich stetig erweiternden Durchflussquerschnitt aufweist, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet, die mit einem Schleifwerkzeug (200) ausgeführt werden:
Schleifen der planaren Fläche eines Längsschliffes (38),
Schleifen der zweiten Verrundung (37b), die durch einen konvexen Radius R des Schleifwerkzeugs (200) zusammen mit der planaren Fläche gefertigt wird,
Schleifen der ersten Verrundung (37a) durch den Radius R des Schleifwerkzeugs (200) während das Schleifwerkzeug (200) von der planaren Fläche des Längsschliffs (38) abgehoben ist,
Wiederholen der vorangegangenen Schritte für alle Längsschliffe (38).
14. Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils (100) nach Anspruch 13, wobei der Mittelbereich (34) in Längsrichtung der Düsennadelachse verlaufende Drosselanschliffe (40) der Tiefe h aufweist, die jeweils in die erste Verrundung (37a) der Längsschliffe (38) auslaufen, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet, die mit einem Schleifwerkzeug (200) ausgeführt werden:
3b) Schleifen des Drosselanschliffs (40) zusammen mit einer an dem Drosselanschliff (40) ausgebildeten Nutstirnseite (42), die ebenfalls den Radius R aufweist. Wiederholen der vorangegangenen Schritte für alle Längsschliffe (38) und alle Drosselanschliffe (40).
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Verrundung (37a) unter einem ersten Winkel α und die zweite Verrundung (37b) unter einem zweiten Winkel ß zur zylindrischen Mantelfläche (35) geschliffen werden, wobei α < ß ist, und die erste Verrundung (37a) und die zweite Verrundung (37b) den gleichen Radius R besitzen, wobei die zweite Verrundung (37b) tangential zu den Längsschliffen (38) auslaufend geschliffen wird und das Schleifwerkzeug (200) eine entsprechende Negativform aufweist.
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