DE2618135A1

DE2618135A1 - Kraftstoffeinspritzventil und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE2618135A1
Application number: DE19762618135
Authority: DE
Inventors: Shoichi Fukunaga; Kei Kimata
Original assignee: NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1975-04-26
Filing date: 1976-04-26
Publication date: 1976-11-11
Also published as: GB1537885A; FR2308846A1; US4270257A; IT1061226B; FR2308846B1

Description

Patentanwälte ^ " '^ '

DFpI.-Ing. B. Eder
Dipl.-Ins. K. Schieschkfc

IT T Ή TOYO BEARING CO. LTD. Osaka / Japan

Kraftstoffeinspritzventil und Verfahren zur Herstellung desselben

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil für Explosionsmotoren, in welchen verdichtetes Gasgemisch, von außen gezündet, verbrannt wird, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ventils.

Es sind mehrere Arten von Kraftstoffeinspritzventilen bekannt. Sie werden in Verbindung mit Kraftstoffeinspritzvorrichtungen verwendet, die intermittierend Kraftstoff einspritzen. Sie müssen einerseits ein vollständiges öffnen während der unter Druck ais der Einspritzvorrichtung erfolgenden Kraftstoffzufuhr gewährleisten, damit der Kraftstoff nebelartig zerstäuben kann, und andererseits müssen sie bei Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr in Schließstellung bleiben, um ein Lecken des Kraftstoffes auszuschließen. Das Verschlußteil und der Ventilsitz müssen daher mit höchster Präzision gearbeitet werden. Präzisionsfertigung in Serie, z.B. von Kraftfahrzeugteilen, bietet jedoch erhebliche Schwierigkeiten.

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Wenn weiterhin das Ventil während des EinspritζVorganges nicht richtig arbeitet, verbleibt ein Teil des unter verhältnismäßig hohem Druck stehenden Kraftstoffes in der Zuführleitung und kann dann selbst bei geschlossenem Ventil vom Ventilkörper in die Ansaugleitung nachtropfen.

Der Erfindungliegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil zu schaffen, welches eine exakte Einspritzung aufgrund verbesserter Präzision in der Herstellung des Verschlußteils gewährleistet und ein Nachtropfen des Kraftstoffes ausschließt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Ventil vor, das gekennzeichnet ist durch ein Gehäuse mit einer sich zwischen der Kraftstoffzuführleitung und der Ventilaustrittsöffnung erstreckenden Durchlaßöffnung, ein mit einem Ventilsitz am Austrittsende des Gehäuses zusammenwirkendes Verschlußteil, das zwischen einer Schließstellung und einer offenen Stellung abhängig von dem Druck des in die Durchlaßöffnung eingeleiteten Kraftstoffes bewegbar ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil des Ventils aus einer Spindel besteht und einem an derem einen Ende befestigten kugelflächigen Ventilkörper, der teilweise hinterschnitten ist und eine Kante an der Stelle aufweist, an der sich der austretende Kraftstoffstrahl zum Sprühkegel erweitert.

Nach einem Merkmal der Erfindung besteht der Ventilkörper aus einer Stahlkugel, welche rechtwinklig oder spitzwinklig zur Achse der Spindel hinterschnitten ist.

Nach einem anderen Merkmal ist die Ventilsitzfläche kegelstumpf förmig ausgebildet.

Gemäß einem weiteren Merkmal kann die Ventilsitzfläche kugelflächig mit im wesentlichen dem gleichen Radius wie der Ventilkörper ausbildet sein.

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Darüber hinaus wird nach der Erfindung das Verschlußteil in der Sitzöffnung über einen auf der Ventilspindel oder in der Sitzöffnung ausgebildeten Ansatz geführt.

Nach der Erfindung wird zur Herstellung des kugelflächigen Ventilkörpers eine Stahlkugel verwendet, die durch Elektronenstrahlschweißung oder elektrische Punktschweißung mit einem Spindelstück verbunden und anschließend hinterschliffen wird unter Bildung einer Kante an der Stelle, an der sich der austretende Kraftstoffstrahl zu einem Sprühkegel erweitert.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung lassen sich zur Verbindung der St ahlkugel mit dem Spindelstück auch Laserstrahlen verwenden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unt e ransprüch en.

nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Jig. 1 einen Schnitt durch ein Kraftstoffeinspritzventil nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Hauptfunktionsteile eines Ventils nach der Erfindung, dessen Ventilkörper aus einer vollständigen Stahlkugel besteht;

Fig. 3a - 3c und 4

im vergrößerten Maßstab je einen Schnitt durch die Hauptfunktionsteile eines Ventils nach abgewandelten Ausführungsformen der Erfindung;

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Fig. 5 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Hauptfunktionsteile eines Einspritzventils nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

J¹Ig. 6 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Hauptfunktionsteile eines Einspritzventils nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt nach Linie VH-VII in Fig. 6;

Fig. 8 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Hauptfunktionsteile eines Einspritzventils nach einer abgewandelten Ausführungsform analog Fig.6;

Fig. 9 einen Schnitt nach Linie IX-IX in Fig. 8, teils gebrochen;

Fig.10 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Schweißverbindung zwischen der den Ventilkörper bildenden Stahlkugel und dem Spindelstück;

Fig.11 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Bearbeitung des geschweißten Werkstückes.

Das in Fig. 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil besteht aus einem Ventilkörper 1, der aus einer Stahlkugel hergestellt ist, aus welcher ein Teil 1a ausgeschliffen wurde; aus einer nach links und rechts verschiebbaren Ventilspindel 2, an derem einen Ende der Ventilkörper 1 durch Elektronenstrahlschweißung, Punktschweißung oder dergleichen befestigt ist; einem Ventilsitz 3j dessen mit dem Ventilkörper 1 zusammenwirkende Sitzfläche Ja konisch ausgebildet ist; einem Dichtungsring 4; einer die Spindel nach rechts belastenden Feder 5, die den Ventilkörper 1 in Anlage gegen den Ventilsitz 3 drückt; einer Mutter 6; einem zylindrischen Gehäuse 8; einer Leitung 9» welche das

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Einspritzventil mit der Einspritzvorrichtung verbindet; und aus einer Kupplung 10 zur Verbindung der Leitung mit dem Einspritzventil.

Der Ventilkörper 1 kann mit einem Ansatz 1c ausgebildet sein, der bei Einstellung des Federdruckes über die Mutter 6 eine Hilfsfunktion erfüllt. Er kann aber auch entfallen. Im Ventilkörper kann stattdessen eine Ausnehmung vorgesehen sein, um ein Verdrehen der Spindel zu verhindern.

Der Ventilkörper 1 beaufschlagt die konische Fläche 3a des Ventilsitzes 3 in einer Linie. Der Winkel BOB-- ^. ß ist der Scheitelwinkel eines Kegels (Fig. 2), dessen Spitze im Mittelpunkt 0 der Stahlkugel liegt und der der geometrische Ort für die Berührungslinien zwischen Ventilkörper und Sitzfläche ist. Entsprechende Bemessungen des Ventilsitzes 3 und der Spindel 3 ermöglichen die Einführung der Spindel 2 ohne Berührung der Innenfläche 3h des Ventilsitzes 3- Die sich zwischen dem Ventilsitz 3 und der Mutter 6 abstützende Feder 5 drückt den Ventilkörper 1 bei Unterbrechung der unter Druck erfolgenden Kraftstoffzufuhr dichtend gegen die Sitzfläche 3a, während bei Zufuhr des Kraftstoffes unter einem den vorgegebenen Druckpunkt des Ventils erreichenden Druck der Ventilkörper aus seiner Anlage an der Sitzfläche 3a nach links gedrückt wird, so daß der Kraftstoff einspritzen kann. Durch Einstellen des Belastungsgrades der Feder 5» d.h. des Federdrucks über die Mutter 6 läßt sich der Ventildruckpunkt festlegen.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des eingespritzten KraftstoffStrahls bei einem aus einer vollständigen Stahlkugel bestehenden Ventilkörper. Hier umfließt der Kraftstoff die Fläche der Stahlkugel 1, ohne sich zu einem Sprühkegel zu erweitern.

Die in Fig. 3 "und 4 gezeigten Hauptfunktionsteile des Ventils veranschaulichen die Beziehung zwischen dem Ventilkörper 1 und der konischen Sitzfläche 3a des Ventilsitzes 3· Der

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Ventilkörper 1 besteht in diesem Fall aus einer Stahlkugel, die in Form eines kleinen Kreises senkrecht zur Achse der Spindel 2 hinterschnitten ist. In Fig. 3a liegt der Ventilkörper mit seiner Kante 1b außerhalb der Kante 3c des Ventilsitzes 3. Da der Kraftstoff hier in einer zur Kante 1b der Kugelfläche tangentialen Richtung strömt, läßt sich der Austrittswinkel des Einspritzstrahls je nach Wahl der Lage X der Kante 1b ohne weiteres verändern.

In Fig. 3b ist die den Ventilkörper bildende Stahlkugel spitzwinklig zur Spindelachse hinterschnitten, und bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3c ist statt eines Ansatzes 1c auf der Flachseite des Ventilkörpers 1 eine Ausnehmung 1d vorgesehen. Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die Kante 1b des Ventilkörpers 1 innerhalb der Außenkante 3c des Ventilsitzes 3 zu liegen kommt. In diesem Fall fällt der Austrittswinkel des KraftstoffStrahls mit dem Neigungswinkel der konischen Sitzfläche 3a des Ventilsitzes zusammen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist die Sitzfläche 3a des Ventilsitzes 3 als kugelförmige Hohlfläche mit im wesentlichen dem gleichen Radius wie der Ventilkörper 1 ausgebildet, so daß der Ventilkörper 1 und die Sitzfläche 3a einander flächig beaufschlagen. Hierdurch ist eine bessere Dichtung als bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gewährleistet, in der der Ventilkörper 1 die Gegenfläche 3a des Ventilsitzes 3 nur in einer Linie berührt. Diese kugelförmige Sitzfläche 3a läßt sich ohne weiteres im Kaltverformungsverfahren ausarbeiten.

In Fig. 6 und 7 ist eine Ausfühmngsform dargestellt, bei der zur stabilisierten Führung der Ventilbewegung die Ventilspindel 2 mit einem auskragenden Ansatz 2aversehen ist, welchem die Sitzöffnung 3b angepaßt ist. Der mit einem Durchlaßkanal 2c ausgebildete Ansatz 2a wirkt als Mundstück, das in einen zwischen dem Ansatz 2a und dem Ventilkörper 1 gebildeten Hohlraum 11 mündet. Einerseits bewirkt der Ansatz 2a eine stabilisierte Führung der Bewegung der Spindel 2 und andererseits er-

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zeugt er einen Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 11 und dem anderen Ende des Mundstückes, so daß sich der Einspritzvorgang so lange fortsetzt, bis der Kraftstoffdruck in der Zuführleitung zu niedrig wird, wodurch ein etwaiges Nachtropfen von Kraftstoff ausgeschlossen wird.

Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 8 und 9 ist der Ansatz 2a als vorspringendes festes Teil der Sitzöffnung 3b ausgebildet.

Fig. 10 und 11 veranschaulichen, wie sich die zur Herstellung des Ventilkörpers dienende Stahlkugel am einen Ende des Spindelstückes nach einem bevorzugten Verfahren befestigen und dann zum gewünschten Ventilkörper bearbeiten läßt. Zunächst wird eine Stahlkugel in die halbkugelförmige Ausnehmung 13 eines ersten Gesenks 12 eingepaßt (Fig. 10), ein Spindelstück 16 mit einer halbkugelformigen Ausnehmung 15 an ihrem der Kugel zugewandten Ende wird auf die freiliegende Kugelfläche aufgesetzt und am anderen Ende durch ein zweites Gesenk 17 festgespannt. Auf das Spindelstück 16 und die Stahlkugel 14 wird über die beiden Gesenke 12 und 17 Druck aufgebracht und gleichzeitig läßt man sie von hohem Strom durchfließen, um die Stahlkugel und das Spindelstück an ihrer einen hohen elektrischen Widerstand bietenden Berührungsstelle auf eine hohe Temperatur zu erhitzen und auf diese Weise eine feste Schmelzschweißung zu erreichen. Die Schweißfestigkeit läßt sich durch Änderung der Bedingungen wie Anpreßdruck, angelegte Spannung und Strom, sowie Stromflußdauer auf bestimmte Werte festlegen. Das erhaltene geschweißte Werkstück wird nun an seinen beiden Enden zwischen drehbaren Zentriervorrichtungen 18 und 19 (Fig. 11) gehaltert, und durch Drehung des Werkstückes wird ein Teil der Stahlkugel 14 eingeschliffen und durch ein Werkzeug 20 in Form des gewünschten Ventilköpfes hinterschnitten. Hierbei lassen sich zur Herstellung der Ventilkörper die für Kugellager allgemein üblichen Stahlkugel!und dgl. verwenden.

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Stahlkugeln für Kugellager werden grundsätzlich in Präzisionsarbeit gefertigt und erfüllen daher bei geringen Fertigungskosten alle an Kugelform und Oberflächenglätte gestellten Forderungen. Zudem sind derartige Stahlkugeln ohne weiteres erhältlich, ^ie für die Ventilkörper nach der Erfindung erforderliche Rundheit der kugelförmigen Fläche ist bei Verwendung von Stahlkugeln bereits einwandfrei vorgegeben. Im übrigen lassen sich zum Verschweißen der Stahlkugel mit dem Spindelstück sogar Laserstrahlen verwenden.

Wie bereits beschrieben, wird nach der Erfindung der Ventilkörper eines Kraftstoffeinspritzventils für Verbrennungsmotoren aus einer Stahlkugel hergestellt, die an einem Ende einer zwischen der offenen Stellung und der Schließstellung des Ventils beweglichen Spindel befestigt und dann teilweise hinterschnitten wird unter Bildung einer zur Spindelachse im wesentlichen senkrechten Kante an der Stelle, an der sich der austretende Kraftstoffstrahl zu einem Sprühkegel erweitert. Mit diesem Ventil läßt sich auf einfache Weise die für Kraftstoffeinspritzventile unbedingt erforderliche absolute Dichtigkeit erreichen.

Nach den bisher üblichen Einschleifverfahren wäre zur Herstellung dieses kugelflächigen Ventilkorpers ein Höchstmaß an Präzisionsbearbeitung erforderlich, um eine Kreisförmigkeit bis zu 0,5/U Genauigkeit zu erreichen. Stahlkugeln für Kugellager hingegen sind derzeit ohne weiteres mit einer Kreisgenauigkeit von 0,1 /U herstellbar und eignen sich zudem für die Serienproduktion. Durch Verwendung dieser handelsüblichen Stahlkugeln für die Herstellung der Ventilkörper nach der Erfindung ist somit eine einwandfreie Dichtwirkung gewährleistet. Um den Dichtigkeitsgrad bekannter Ventile zu erreichen, darf die Kreisförmigkeit der konischen Sitzfläche auch weniger genau gearbeitet sein, was die Herstellung noch zusätzlich vereinfacht.

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Der austretende Kraftstoffstrahl erweitert sich abhängig von der teilweise hinterschnittenen Stahlkugel zu einem Sprühkegel, und sein Austrittswinkel ist ohne weiteres bestimmbar, da er von der Stelle abhängt, an welcher die Kugelfläche abreißt. Die hierzu verwendbaren handelsüblichen Stahlkugeln werden in Serie mit äußerst kleinen Toleranzen und einem Höchstmaß an Kreisförmigkeit hergestellt. Das Verschweißen der Stahlkugeln mit den Endflächen der Spindelstücke ist äußerst einfach» so daß man nach der Erfindung ein äußerst wirksames Ventil erhält, das bei hoher Produktionsleistung kostensparend herstellbar ist.

Patentanwälte

Dip!.-ing. E. Eder

Dip!.-!ng. K. Schieschke

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Claims

Patentanwälte .

DIpI.-ing. E. Eder Z<> 261 « I 3

Dfpl.-Ing. K. Schieschke

Patentansprüche

1J Kraftstoffeinspritzventil, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (8) mit einer sich zwischen der Kraftstoffzuführleitung (9» 10), und der Ventilaustrittsöffnung erstreckenden DurchlaßÖffnung, einem mit einem Ventilsitz am Austrittsende des Gehäuses zusammenwirkenden Verschlußteil, das zwischen einer Schließstellung und einer offenen Stellung abhängig von dem Druck öes in die Durchlaßöffnung eingeleiteten Kraftstoffes bewegbar ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil des Ventils aus einer Spindel (2) besteht und einem an derem einen Ende befestigten kugelflächigen Ventilkörper (1), der teilweise hinterschnitten ist und eine Kante an der Stelle aufweist, an der sich der austretende Kraftstoff strahl zum Sprühkegel erweitert.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) aus einer Stahlkugel besteht, welche rechtwinklig zur Achse der Spindel (2) hinterschnitten ist.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (1) aus einer Stahlkugel besteht, die spitzwinklig zur Achse der Spindel (2) hinterschnitten ist.
4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einer Stahlkugel hergestellte Ventilkörper (1) an seiner Unterseite einen Ansatz (1c) aufweist.
5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einer Stahlkugel hergestellte Ventilkörper (1) an seiner Unterseite mit einer Ausnehmung (ld) versehen ist.

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6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitzfläche (3a) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
7. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsitzfläche (3a) kugelflächig mit im wesentlichen dem gleichen Radius wie der Ventilkörper (1) ausgebildet ist.
8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil in der Sitzöffnung (3b) geführt ist.
9· Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück über einen auskragenden Ansatz (2a) der Ventilspindel geführt ist, in welchem ein Durchlaßkanal (2c) für den Kraftstoff ausgebildet ist.
10. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil durch einen in der Ventilöffnung (3b) vorspringenden Ansatz geführt ist, in welchem ein Durchlaßkanal (3c) für den Kraftstoff vorgesehen ist.
11. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öitzöffnung (3b) in Verbindung mit dem I¹Uh rungs ans at ζ für das Verschlußteil ein Mundstück bildet und daß zwischen dem Führungsansatζ und dem Ventilkörper ein Hohlraum (11) vorgesehen ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Ventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Ventilkörpers eine Stahlkugel verwendbar ist, die durch Elektronenstrahlschweißung oder elektrische Punktschweißung mit dem Spindelstück verbunden und anschließend hinterschliffen wird unter Bildung einer Kante an der Stelle, an der sich der austretende Kraftstoffstrahl zu einem Sprühkegel erweitert.

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Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlkugel mit dem Spindelstück unter Verwendung eines Laserstrahls verschweißt wird und anschließend hinterschliffen wird unter Bildung einer Kante an der Stelle, an der sich der austretende Kraftstoffstrahl zu einem Sprühkegel erweitert.

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L Eder Dipl.-Ing. K^Schieschke

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