AT511880B1

AT511880B1 - Verschleissoptimierte herstellung von konischen spritzlöchern

Info

Publication number: AT511880B1
Application number: ATA1269/2011A
Authority: AT
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-12-15
Also published as: JP2014525535A; KR20140062482A; EP2753821A1; RU2014113166A; WO2013033737A1; CN103764999A; US20150083829A1; AT511880A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Spritzlöchern (12) in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungskraftmaschinen wird das Spritzloch (12) mit Hilfe wenigstens eines abtragenden Fertigungsverfahrens ausgebildet, wobei die Einspritzdüse (4) danach zumindest im Bereich des Spritzloches (12) einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, sodass die Spritzlochoberfläche (17) über ihre gesamte axiale Länge gehärtet wird.

Description

österreichisches Patentamt AT511 880B1 2013-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Spritzlöchern in Kraftstoffein-spritzdüsen für Verbrennungskraftmaschinen, bei welchem wenigstens ein Fertigungsschritt zur Ausbildung des Spritzloches und wenigstens ein Härtungsschritt durchgeführt werden.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters eine Kraftstoffeinspritzdüse für Verbrennungskraftmaschinen, die wenigstens ein Spritzloch aufweist.

[0003] Kraftstoffeinspritzdüsen bestehen aus dem Düsenkörper und der Düsennadel, die beide aus hochwertigem Stahl hergestellt sind. Die Düsennadel ist axial verschiebbar in dem Düsenkörper angeordnet und weist an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche auf. Mit dieser konischen Ventildichtfläche wirkt die Düsennadel mit einer an einem geschlossenen Ende einer Bohrung im Düsenkörper angeordneten konischen Ventilsitzfläche zusammen, wobei an der Berührungslinie zwischen Ventildichtfläche und Ventilsitzfläche ein Dichtquerschnitt gebildet wird. Diesem Dichtquerschnitt sind in Kraftstoffströmungsrichtung stromabwärts Spritzlöcher nachgeordnet, die in der Wand des Düsenkörpers angeordnet sind und die ausgehend von der Bohrung im Düsenkörper an dessen Außenmantelfläche münden und dabei in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragen. Dabei können diese Spritzlöcher beispielsweise konisch ausgebildet sein, wobei sich der Querschnitt der Spritzlöcher von einem relativ großen Durchmesser am Kraftstoffeintritt zu einem relativ kleinen Durchmesser am Kraftstoffaustritt gleichmäßig konisch verringert.

[0004] Verfahren zur Herstellung von Spritzlöchern der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus den Dokumenten EP 982493 A1, DE 29713628 U1 und DE 3536452 A1 bekannt.

[0005] Oben beschriebene Lochdüsen kommen in direkt einspritzenden Dieselmotoren, insbesondere bei Common-Rail-Systemen zum Einsatz, wo sie den unter sehr hohem Druck befindlichen Kraftstoff in einem scharfen Einspritzstrahl auf die Wände der gegenüberliegenden Kolbenmulde zerstäuben. Der Düsenkörper weist in der Regel mehrere Spritzlöcher auf, die im Inneren der Düse einen gleichmäßigen Lochkreis auf dem Mantel eines Kegels bilden. Je nach Motor liegt die Anzahl der Spritzlöcher zwischen 5 (bei PKWs) bis zu 14 (bei Großdieselmotoren). Der Lochdurchmesser variiert zwischen 0,15 mm (bei PKWs) und 0,4 mm (bei LKWs). Die Spritzlochanzahl, der Spritzlochwinkel und die Spritzlochgröße sowie die Strömungsverhältnisse an den Düsenlöchern beeinflussen den Einspritzstrahl und dessen Zerstäubung. Das jeweilige Spritzbild bestimmt gemeinsam mit anderen Faktoren, wie z.B. der Einspritzmenge, dem Einspritzdruck, dem Druckverlauf, der Brennraumgeometrie, dem Kompressionsdruck und der Kompressionstemperatur die Verbrennungsqualität bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs.

[0006] Die Spritzlöcher sind sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Bei Angriff von Verschleißmechanismen, wie z.B. Kavitation oder Partikelerosion kann es zu einem raschen Verschleißfortschritt und dadurch zu Veränderungen der Einspritzstrahlform, der Strahlausbreitung oder auch des Massendurchsatzes kommen. Diese Veränderungen können neben dem Überschreiten von gesetzlichen Emissionslimits durchaus auch zu Motorschäden und damit zum Ausfall führen. Um diese Folgeschäden hintan zu halten, müssen die Einspritzdüsen nach relativ kurzer Laufzeit ausgetauscht und durch neue ersetzt werden.

[0007] Es gibt unterschiedliche Methoden, um die Spritzlöcher in Einspritzdüsen einzubringen. Beispielsweise können die Spritzlöcher mittels Bohren oder Stanzen hergestellt werden. Die Form von solcherart hergestellten Spritzlöchern ist entsprechend der Ausbildung des Bohr- oder Stanzwerkzeuges nahezu zylindrisch.

[0008] Weiters ist es bekannt, die Spritzlöcher durch abtragende Fertigungsverfahren, wie z.B. durch Erodieren oder Lasern herzustellen. Diese Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, den Spritzlöchern verschiedene Geometrien zu geben, wie beispielsweise konisch ausgeführte Spritzlöcher, welche meist in Durchflussrichtung im Durchmesser abnehmen. Es sind aber viele weitere Geometrien bekannt.

[0009] Grundsätzlich ist es bekannt, den Einspritzdüsenrohkörper einer Wärmebehandlung zu 1 /6 österreichisches Patentamt AT511 880B1 2013-12-15 unterziehen, um die Verschleißresistenz, die Festigkeit und dgl. zu erhöhen. Diese Wärmebehandlung ist üblicherweise ein Einsatzhärten oder Nitrieren, d.h. also Wärmebehandlungsverfahren, die den Werkstoff an der Oberfläche zwar hart und verschleißbeständig machen, den Werkstoffkern allerdings relativ weich aber dafür zäh belassen. Die sich durch den Werkstoffkern erstreckenden Spritzlochbohrungen weisen daher besonders in ihrem mittleren Bereich oft einen unzureichenden Verschleißschutz auf.

[0010] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, die Verschleißfestigkeit von Spritzlöchern zu erhöhen und damit die Laufzeit der Einspritzdüsen zu verlängern. Gleichzeitig soll die Ausgestaltung der Spritzlochgeometrie bei der Herstellung der Spritzlöcher möglichst keinen Einschränkungen unterliegen.

[0011] Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlich vorgesehen, dass das Spritzloch mit Hilfe wenigstens eines abtragenden Fertigungsverfahrens ausgebildet wird und dass die Einspritzdüse danach zumindest im Bereich des Spritzloches einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, sodass die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gehärtet wird. Die Erfindung bezieht sich somit auf den Fertigungsablauf bei der Herstellung von spezifisch ausgeformten Spritzlöchern, also jenen, die mittels abtragender Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Erodieren, Lasern o.ä. gefertigt werden. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, die Reihenfolge der Schritte des Einbringens des Loches und der Härtens so zu gestalten, dass die formgebenden Spritzlochherstellungsverfahren wie z.B. Erodieren oder Lasern jeweils vor der für den Verschleißschutz verantwortlichen Wärmebehandlung anzuwenden. Man bringt die Spritzlöcher somit im so genannten Weichzustand ein und kann mit den an sich bekannten abtragenden Fertigungsverfahren verschiedene Spritzlochgeometrien, vordringlich konische Geometrien hersteilen und trotzdem die Verschleißbeständigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in der Spritzlochoberfläche erreichen. Die Härtungsbehandlung erfolgt nämlich erst nach der Ausformung des Spritzloches, sodass die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gehärtet werden kann.

[0012] Bevorzugt wird die Härtungsbehandlung so durchgeführt, dass die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gleichmäßig gehärtet wird.

[0013] Wie bereits erwähnt ist bevorzugt vorgesehen, dass das Einspritzloch konisch ausgeführt ist oder einen konischen Bereich umfasst. Insbesondere nimmt der Durchmesser des Spritzlochs in Durchflussrichtung stetig ab.

[0014] Mit Vorteil wird das Einspritzloch durch Erodieren oder Laserbearbeitung hergestellt. Ein Verfahren zum Erodieren von Spritzlöchern ist beispielsweise in der DE 10360080 A1 beschrieben.

[0015] Bevorzugt umfasst die Härtungsbehandlung eine Oberflächenhärtung. Die Härtungsbehandlung umfasst dabei insbesondere einen Nitrierschritt oder einen Wärmebehandlungsschritt, insbesondere ein Einsatzhärten.

[0016] Eine besonders effiziente Verfahrensweise sieht vor, dass das Spritzloch im ungehärteten Material der Einspritzdüse ausgebildet wird.

[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Bearbeitung von verschiedensten Materialien, insbesondere von Stählen geeignet. Bevorzugt wird das Spritzloch in einer durch heißisostatisches Pressen hergestellten Einspritzdüse ausgebildet.

[0018] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzdüse für Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, die wenigstens ein Spritzloch aufweist, wobei das Spritzloch eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und der Bereich des Spritzloches sowie die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gehärtet ist.

[0019] Bevorzugt ist die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gleichmäßig gehärtet. Das Einspritzloch kann mit Vorteil konisch ausgeführt sein oder einen konischen Bereich umfassen. In besonders vorteilhafter Weise, nimmt der Durchmesser des Spritzlochs in 2/6 österreichisches Patentamt AT511 880B1 2013-12-15

Durchflussrichtung bevorzugt stetig zu.

[0020] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Kraftstoffeinspritzdüse eines Common Rail Systems und Fig. 2a und Fig. 2b eine Detailansicht des Bereichs II der Fig. 1, wobei Fig. 2a eine erfindungsgemäß hergestellte Ausführung und Fig. 2b eine gemäß dem Stand der Technik hergestellte Ausführung zeigt.

[0021] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Common-Rail-Injektors bestehend aus einem Hochdruckspeicher 1, einem Servoventil 2, einer Drosselplatte 3, sowie einer Einspritzdüse 4. Das Servoventil 2 verschließt im Ruhezustand die in der Drosselplatte 3 vorhandene Ablaufdrossel 5. Dadurch liegt im Steuerraum 8, der über die Hochdruckbohrung 7 und die Zulaufdrossel 6 mit dem Speicher 1 verbunden ist, der Systemdruck an, sodass die Düsennadel 10 gegen den im Düsenkörper 9 gefertigten Düsensitz 11 gedrückt und die Spritzlöcher 12 verschlossen werden. Bei Betätigung des Servoventils 2 wird die Ablaufdrossel 5 frei gegeben, und der im Steuerraum befindliche Kraftstoff baut seinen Druck in das Niederdrucksystem (nicht dargestellt) ab. Gleichzeitig fließt über die Zulaufdrossel 6 unter Hochdruck stehender Kraftstoff nach. Die effektiven Durchflussquerschnitte von Ablaufdrossel 5 und Zulaufdrossel 6 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass bei Betätigung des Servoventils 2 der Druck im Steuerraum 8 so weit absinkt, dass der auf den unteren Teil der Düsennadel 10 wirkende Druck im Düsenraum 13 die Düsennadel 10 gegen den Druck im Steuerraum 8 und gegen die Kraft der Düsenfeder 14 aus dem Düsensitz 11 drückt und die Spritzlöcher 12 frei gegeben werden, sodass Kraftstoff in den Brennraum 15 eingespritzt wird. Nach Schließen des Servoventils 2 kann kein Kraftstoff mehr über die Ablaufdrossel 5 aus dem Steuerraum 8 abfließen, sodass der sich hier aufbauende Druck die Düsennadel 10 wieder in den Düsensitz 11 drückt.

[0022] In der Detailansicht gemäß den Fig. 2a und 2b sind die Spritzlöcher 12 besser ersichtlich. Die Düsennadel ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Mit 16 ist ein oberflächennaher Bereich bezeichnet, der auf Grund einer Härtungsbehandlung gehärtet wurde. Das Ergebnis einer Verfahrensweise gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 2b gezeigt. Die Einspritzdüse 4 wurde zuerst gehärtet und erst danach wurden die Spritzlöcher 12 eingebracht, sodass die Spritzlochoberfläche 17 nicht gehärtet wurde. Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise hingegen, dargestellt in Fig. 2a, wurden zuerst die Spritzlöcher hergestellt und danach die Härtungsbehandlung vorgenommen, sodass auch die Spritzlochoberfläche 17 mitgehärtet wurde. 3/6

Claims

österreichisches Patentamt AT511 880B1 2013-12-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Spritzlöchern in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungskraftmaschinen, bei welchem wenigstens ein Fertigungsschritt zur Ausbildung des Spritzloches und wenigstens ein Härtungsschritt durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch mit Hilfe wenigstens eines abtragenden Fertigungsverfahrens (wie z.B. durch Erodieren oder Lasern) ausgebildet wird und dass die Einspritzdüse danach zumindest im Bereich des Spritzloches einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, sodass die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzlochoberfläche über ihre gesamte axiale Länge gleichmäßig gehärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch konisch ausgeführt ist oder einen konischen Bereich umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Spritzlochs in Durchflussrichtung bevorzugt stetig abnimmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch durch Erodieren oder Laserbearbeitung hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtungsbehandlung eine Oberflächenhärtung umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtungsbehandlung einen Nitrierschritt oder einen Wärmebehandlungsschritt, insbesondere ein Einsatzhärten umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch im ungehärteten Material der Einspritzdüse ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch in einer durch heißisostatisches Pressen hergestellten Einspritzdüse ausgebildet wird.
10. Kraftstoffeinspritzdüse für Verbrennungskraftmaschinen, die wenigstens ein Spritzloch (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (12) eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und dass der Bereich des Spritzloches (12) sowie die Spritzlochoberfläche (17) über ihre gesamte axiale Länge gehärtet ist.
11. Einspritzdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzlochoberfläche (17) über ihre gesamte axiale Länge gleichmäßig gehärtet ist.
12. Einspritzdüse nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (12) konisch ausgeführt ist oder einen konischen Bereich umfasst.
13. Einspritzdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Spritzlochs (12) in Durchflussrichtung bevorzugt stetig zunimmt.
14. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (4) eine durch heißisostatisches Pressen hergestellte Einspritzdüse (4) ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6