DE19914719C2 - Vorrichtung zum hydroerosiven Runden von Einlaufkanten der Spritzlochkanäle in einem Düsenkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum hydroerosi­ ven Runden von Einlaufkanten der Spritzlochkanäle in einem Düsenkörper eines Kraftstoffeinspritzventils, bei dem der Dü­ senkörper von einem abrasive Teilchen enthaltenden Medium zum Abtragen von Material an den Einlaufkanten durchströmt wird. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 195 07 171 C1 bekannt.

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung eingesetzt. In solchen Direktein­ spritzsystemen werden dabei als Einspritzdüsen vor allem Lochdüsen verwendet, wobei zu einer optimalen Gemischbildung und damit Verbrennung in einer Brennkammer des Verbrennungs­ motors ein möglichst kleiner Einspritzquerschnitt gefordert wird. Bei der gewünschten Verkleinerung der Querschnitte des Spritzlochs in der Einspritzdüse ist neben fertigungstechni­ schen Problemen insbesondere auch zu berücksichtigen, daß ei­ ne bestimmte Kraftstoffmenge innerhalb eines sehr kurzen Ein­ spritzzeitraums durch die Einspritzdüse in die Brennkammer eingespritzt werden muß, um die gewünschte Leistung des Verbrennungsmotors zu erzielen. Um einen höheren Kraftstoff­ durchsatz durch das Spritzloch der Einspritzdüse auch bei kleinem Spritzlochquerschnitt zu erreichen, besteht die Mög­ lichkeit, entweder den Einspritzdruck zu erhöhen, den Durch­ flußbeiwert durch das Spritzloch zu vergrößern oder die Kraftstoffdichte zu erniedrigen. Einer unbeschränkten Erhö­ hung des Einspritzdrucks stehen jedoch die Festigkeitsanfor­ derungen an die Einspritzdüse entgegen. Der Verringerung der Kraftstoffdichte sind weiterhin physikalische Grenzen ge­ setzt. Aus diesen Gründen wird bei der Verbesserung der Ein­ spritzdüsen vor allem versucht, den Durchflußbeiwert von Kraftstoff durch den Spritzlochkanal der Einspritzdüse zu er­ höhen.

In der DE 195 07 171 C1 wird hierzu vorgeschlagen, den Spritzlochkanal im Einlaufbereich beim Übergang in einen Dichtsitz des Düsenkörpers der Einspritzdüse kantenlos abzu­ runden. Durch die abgerundete Ausformung des Einlaufbereichs wird der Umlenkwinkel der Kraftstoffströmung durch den Düsen­ körper beim Übergang von der Schaftbohrung in den Spritzloch­ kanal verkleinert, wodurch sich eine Erhöhung des Durchfluß­ beiwertes durch den Spritzlochkanal und damit eine vergrößer­ te Kraftstoffmenge durch das Spritzloch ergeben.

Um die Einlaufkante des Spritzlochkanals im Düsenkörper, der herkömmlicherweise mittels einer Bohroperation einge­ bracht wird, abzurunden, wird im allgemeinen eine Nachbear­ beitung des Düsenkörpers mittels hydroerosiven Schleifens durchgeführt. Hierbei durchströmt ein abrasive Teilchen ent­ haltendes Medium den Düsenkörper, um Material von der Ein­ laufkante des Spritzlochkanals abzutragen und so diese Ein­ laufkante abzurunden. Bei den im Stand der Technik verwende­ ten hydroerosiven Schleifverfahren sind jedoch dem möglichen Verrundungsgrad der Einlaufkanten des Spritzlochkanals Gren­ zen gesetzt. Insbesondere besteht die Gefahr, daß eine fur­ chenartige Kanalbildung im Spritzloch auftritt, wenn Verrun­ dungsgrade von mehr als 20% ausgeführt werden. Weiterhin ist es mit der herkömmlichen hydroerosiven Schleiftechnik schwie­ rig, gezielt Material im Düsenkörper an den Stellen größter Kraftstoffumlenkung und damit geringstem Durchflußbeiwert, also insbesondere an der Einlaufkante des Spritzkanals, abzu­ tragen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Vorrichtung zum hydroerosiven Runden von Einlauf­ kanten der Spritzlochkanäle in einem Düsenkörper bereitzu­ stellen, die es ermöglicht, durch hohe Verrundungsgrade und gezieltes Materialabtragen den Durchflußbeiwert durch den Dü­ senkörper zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum hydroerosiven Run­ den von Einlaufkanten der Spritzlochkanäle in einem Düsenkör­ per zeichnet sich durch einen Strömungskörper aus, der in ei­ nen Düsenkörper eingebracht wird, um den Strömungsverlauf ei­ nes abrasive Teilchen enthaltenden Mediums durch den Düsen­ körper so festzulegen, daß durch gezieltes Abtragen von Mate­ rial an einer Einlaufkante ein vorbestimmter Verrundungsgrad erzielt wird. Hierdurch ist es möglich, gezielt Material an den Stellen stärkster Umlenkung der Kraftstoffströmung im Dü­ senkörper abzutragen und darüber hinaus hohe Verrundungsgrade zu erzielen, womit sich eine deutliche Erhöhung des Durch­ flußbeiwertes des Kraftstoffs, insbesondere in einem Spritz­ loch des Düsenkörpers, erzielen läßt.

Der verbesserte Durchflußbeiwert der Kraftstoffströmung sorgt für eine erhöhte Geschwindigkeit des aus dem Spritz­ lochkanal in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs und für eine erhöhte Einspritzmenge. Durch die Verminderung der Kraftstoffumlenkung werden weiterhin auch Verwirbelungen in der Kraftstoffströmung soweit wie möglich vermieden, so daß der Einspritzstrahl ein optimiertes Strömungsprofil erhält. Durch den in bezug auf Geschwindigkeit, Einspritzvolumen und Strömungsprofil optimierten Einspritzstrahl wird eine verbes­ serte Kraftstoffaufbereitung in der Brennkammer des Verbren­ nungsmotors erreicht, wodurch sich die Qualität des Verbren­ nungsverlaufes wesentlich steigern und Verbesserungen bei den Emissionswerten, den Verbrennungsgeräuschen, der Motorleis­ tung und dem Kraftstoffverbrauch erzielen lassen. Durch die erfindungsgemäße Technik zum hydroerosiven Runden lassen sich insbesondere auch bei Lochdüsen für den Schrägeinbau in Verbrennungsmotoren Verbesserungen bei der Einspritzstrahl­ charakteristik erzielen, da durch die verstärkte Abrundung der Einlaufkanten von Spritzlöchern mit größerem Höhenwinkel der Durchflußbeiwert von Kraftstoff in diesen Spritzlöchern an den von Spritzlöchern mit kleinerem Höhenwinkel angepaßt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Düsenkörpers einer Ein­ spritzdüse zum senkrechten Einbau in einen Verbrennungsmotor, bei der eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleiftechnik eingesetzt wird,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Düsenkörpers einer Ein­ spritzdüse zum senkrechten Einbau in einen Verbrennungsmotor, bei der eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleiftechnik eingesetzt wird, und

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Düsenkörpers einer Ein­ spritzdüse zum Schrägeinbau in einem Verbrennungsmotor, bei der die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydroero­ siven Schleiftechnik eingesetzt wird.

Fig. 1 zeigt den für die Erfindung wesentlichen Teil ei­ nes Düsenkörpers. Dieser Düsenkörper besteht aus einem im we­ sentlichen zylindrischen Schaftbereich 11 und einem an diesen Schaftbereich 11 angesetzten, in der Spitze abgerundeten Kup­ penbereich 12, der in einer Brennkammer eines Verbrennungsmo­ tors angeordnet werden kann. Im Schaftbereich 11 des Düsen­ körpers 1 ist eine im wesentlichen zylindrische Schaftbohrung 13 ausgeführt, an die sich über eine Absetzkante 14 im Kup­ penbereich 12 ein konisch zulaufender Sitzkonus 15 an­ schließt. Dieser Sitzkonus 15 endet in einem Sackloch 16. Die Schaftbohrung 13 im Düsenkörper 1 dient zur Aufnahme einer Düsennadel, die mit einem Sitzkegel auf dem Sitzkonus 15 im Düsenkörper aufsitzen kann.

Im Kuppenbereich 12 des Düsenkörpers 1 ist seitlich wei­ terhin ein Spritzlochkanal 3 ausgeführt. Über diesen Spritz­ lochkanal 3 wird bei geöffneter Düsennadel der in den Düsen­ körper 1 eingespeiste Kraftstoff in die Brennkammer des Verbrennungsmotors abgegeben. Im allgemeinen sind im Kuppen­ bereich 12 des Düsenkörpers 1 jedoch mehrere Spritzlochkanäle verteilt ausgeführt, um je nach Brennkammerform eine Kraft­ stoffeinspritzung mit einem definierten Spritzlochkegelwinkel zu erzielen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Düsenkörper, der für einen zentralen senkrechten Einbau in den Verbrennungsmotor vorgesehen ist, sind bei einer Ausführung mit mehreren Spritzlochkanälen diese vorzugsweise symmetrisch mit dem gleichen Höhenwinkel um den Kuppenbereich des Düsenkörpers verteilt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Düsenkörper 1 beträgt der Spritzlochkegelwinkel, unter dem der Kraftstoff tangential aus dem Spritzlochkanal 3 in die Brennkammer eingespritzt wird, 150°. Da der Konuswinkel, mit dem der Sitzkonus 15 im Kuppenbereich 12 des Düsenkörpers 1 zusammenläuft, 60° ist, muß der Kraftstoffstrom zur Einspritzung in die Brennkammer des Verbrennungsmotors, um bei geöffneter Düsennadel über die Schaftbohrung 11 und den Sitzkonus 15 in den Spritzlochkanal 3 einströmen zu können, um 105° umgelenkt werden. Die erfor­ derliche scharfe Umlenkung des Kraftstoffstroms führt zu ei­ ner Verminderung der Kraftstoffgeschwindigkeit und damit zu einer ungewünschten Drosselung des in die Brennkammer einge­ spritzten Kraftstoffstrahls. Weiterhin treten beim Umlenken des Kraftstoffs auch Verwirbelungen auf, die zu Einspritzver­ lusten sowie einer Änderung der Einspritzstrahlcharakteristik und damit einer Beeinträchtigung des Verbrennungsverlaufes führen. Um einen erhöhten Kraftstoff-Durchflußbeiwert und da­ mit eine verbesserte Einspritzstrahlcharakteristik zu errei­ chen, wird der herkömmlicherweise durch Bohren in den Kuppen­ bereich 11 des Düsenkörpers 1 eingebrachte Spritzlochkanal 3 an einer Einlaufkante 31 abgerundet. Zum Abrunden wird eine hydroerosive Schleiftechnik eingesetzt. Hierbei wird der Dü­ senkörper 1 von einem abrasive Teilchen enthaltenden Medium durchströmt, das Material von der Einlaufkante 31 des Spritz­ lochkanals 3 abträgt und diese Einlaufkante so abrundet.

Um einen hohen Verrundungsgrad und ein gezieltes Materi­ alabtragen an der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 im Düsenkörper 1 zu ermöglichen, wird, wie in Fig. 1 gezeigt, bei der erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleiftechnik mit einem abrasive Teilchen enthaltenden Medium ein düsennadel­ ähnlicher Strömungskörper 2 in die Schaftbohrung 13 des Dü­ senkörpers 1 eingebracht. Dieser düsennadelähnliche Strö­ mungskörper 2 weist einen Schaft 21 und eine sich an den Schaft 21 anschließende nadelförmige Spitze 22 auf. Die na­ delförmige Spitze 22 trägt dabei an ihrem unteren Ende einen abgeflachten Sitzkegel 23, der im wesentlichen den gleichen Öffnungswinkel wie der Sitzkonus 15 im Kuppenbereich 12 des Düsenkörpers 1 besitzt. Im eingeschobenen Zustand sitzt der Strömungskörper 2 mit dem Sitzkegel 23 auf dem Sitzkonus 15 im Düsenkörper 1 auf, wobei der Sitzkegel 23, wie Fig. 1 zeigt, mit seiner oberen Kegelkante den Einlaufbereich 31 des Spritzlochkanals 3 teilweise abdeckt. Der Strömungskörper 2 ist weiterhin so ausgelegt, daß zwischen einem an den Sitzke­ gel 23 anschließenden Abschnitt der Spitze 22 und der Innen­ wandung des Düsenkörpers bzw. zwischen dem Schaft 21 und die­ ser Innenwandung ein ausreichend großer Strömungsspalt bleibt, der im wesentlichen ein ungehindertes Durchströmen des abrasive Teilchen enthaltenden Mediums ermöglicht.

Durch das Anordnen des düsennadelähnlichen Strömungskör­ pers 2 im Düsenkörper 1 ist es möglich, beim hydroerosiven Schleifen im wesentlichen den Strömungsverlauf von Kraftstoff durch den Düsenkörper 1 bei geöffneter Düsennadel für das abrasive Teilchen enthaltende Medium nachzubilden. Hierdurch ist es möglich, gezielt Material an den Stellen im Düsenkör­ per 1 abzutragen, an denen die stärkste Kraftstoffumlenkung und damit der größte Geschwindigkeitsverlust auftritt, d. h. also vor allem an der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3. Durch die in Fig. 1 gezeigte Abdeckung des unteren Bereichs des Spritzlochkanals 3 durch den Sitzkegel 23 des Strömungs­ körpers 2 beim hydroerosiven Schleifen wird weiterhin er­ reicht, daß bevorzugt oder ausschließlich der obere Bereich der Einlaufkante 31 abgerundet wird, wodurch sich gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren ein deutlich hö­ herer Verrundungsgrad erzielen läßt. Eine verbesserte Abrun­ dung gerade dieses oberen Bereiches der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 ermöglicht eine deutliche Erhöhung des Durchflußbeiwertes des Kraftstoffs und damit der Kraftstoff­ geschwindigkeit im Spritzlochkanal.

Der in Fig. 2 dargestellte Teil des Düsenkörpers 1 ei­ nes Kraftstoffeinspritzventils weist mindestens ein Spritz­ loch 3 auf, dessen Einlaufkante 31 an ihrem oberen Bereich einen Kantenradius R aufweist, der vorzugsweise zwischen dem 1,5 fachen und 5-fachen des Lochdurchmessers D des Spritz­ lochs 3 liegt, wodurch ein gutes Einspritzverhalten erzielt wird.

Um beim hydroerosiven Schleifen insbesondere Material von diesem oberen Bereich der Einlaufkante 31 des Spritzloch­ kanals 3 abzutragen, sind gemäß der in Fig. 2 gezeigten Aus­ führungsform im Abschnitt der nadelförmigen Spitze 22 ober­ halb des Sitzkegels 23 Leitnuten 25 ausgeführt, die in Rich­ tung der Strömung des die abrasiven Teilchen enthaltenden Me­ diums ausgerichtet sind und den Einlaufbereichen der Spritz­ lochkanäle im Düsenkörper 1 gegenüberliegen. Durch diese Leitnut 25 ist es möglich, das die abrasiven Teilchen enthal­ tende Medium gezielt auf den oberen Bereich der Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 zu lenken und so eine verstärkte Verrundung in diesem Bereich zu bewirken, die dann zu einem erhöhten Kraftstoff-Durchflußbeiwert und damit zu einer grö­ ßeren Kraftstoffgeschwindigkeit führt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleiftechnik für einen Düsenkörper, der bei einer schräg in den Verbrennungsmotor einzubauenden Ein­ spritzdüse verwendet wird. Bei diesem Düsenkörper 1 sind Spritzlochkanäle 3, 4 zum Erzielen des gewünschten Spritz­ lochkegelwinkels unter verschiedenen Höhenwinkeln im Kuppen­ bereich 12 des Düsenkörpers 1 eingebracht. Um gezielt die Einlaufkanten 31, 41 der Spritzlochkanäle 3, 4 bei dieser Dü­ senkörperausführung abrunden zu können, ist eine Kegelkante 240 an der Spitze 220 des Strömungskörpers 2 ebenfalls schräg ausgeführt, so daß der Sitzkegel 230 bei den im Düsenkörper 1 eingebrachten Spritzlochkanälen 3, 4 Teile des Einlaufberei­ ches abdeckt, um ein Abrunden der Einlaufkanten 31, 41 insbe­ sondere im oberen Bereich zu ermöglichen. Durch eine geeigne­ te Anordnung des Sitzkegels 230 und der Kegelkante 240 kann dabei die Abdeckung der Einlaufbereiche in den verschiedenen Spritzlochkanälen so vorgenommen werden, daß gezielt eine stärkere Verrundung der Einlaufkante 41 des Spritzlochkanals 4 mit dem größeren Höhenwinkel im Vergleich zur Einlaufkante 31 des Spritzlochkanals 3 mit kleinerem Höhenwinkel vorgenom­ men wird. Hierdurch läßt sich eine verbesserte Einzelstrahl­ mengenverteilung aus den Spritzlöchern und damit eine Senkung der Toleranzempfindlichkeit erreichen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform können - ähnlich wie in Fig. 2 - auch Leitnuten an der Spitze 220 des Strömungskörpers 2 angebracht werden, um den gezielten Mate­ rialabtrag an den Einlaufkanten 31, 41 der Spritzlochkanäle 3, 4 zu verbessern.

Die im erfindungsgemäßen hydroerosiven Schleifverfahren eingesetzten Strömungskörper werden vorzugsweise aus einem Material mit einer höheren Härte als Stahl, z. B. Hartmetall oder Keramik, hergestellt, um den Verschleiß der Strömungs­ körper so gering wie möglich zu halten.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum hydroerosiven Runden einer Einlaufkante (31, 41) eines Spritzlochkanals (3) in einem Düsenkörper (1), wobei ein abrasive Teilchen enthaltendes Medium in den Düsen­ körper (1) zum Abtragen von Material an der Einlaufkante (31, 41) des Düsenkörpers (1) eingespeist wird, mit einem Strömungskörper (2), der in den Düsenkörper (1) eingebracht ist, um den Strömungsverlauf des abrasive Teil­ chen enthaltenden Mediums durch den Düsenkörper (1) festzule­ gen, um durch gezieltes Abtragen von Material an der Einlauf­ kante (31, 41) eine vorbestimmte Abrundungsform zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (2) im we­ sentlichen der Form einer für den Düsenkörper (1) vorgesehe­ nen Düsennadel nachgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (2) mit wenigstens einer Leitnut (25) versehen ist, um das abrasive Teilchen enthaltende Medium ge­ zielt an einen vorbestimmten Bereich der Einlaufkante (31, 41) des Spritzlochkanals (3, 4) zu lenken.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (2) aus einem Werk­ stoff mit einer größeren Härte als Stahl hergestellt ist.