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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Ausformung von Abspritzöffnungen nach der Gattung des Anspruchs 10.
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Aus der
GB 1,088,666 A ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das eine gestufte Abspritzöffnung aufweist. Dabei ist die Abspritzöffnung ausgehend von einem kammerförmigen Ventilinnenraum in einem ersten Öffnungsabschnitt mit einer sehr geringen durchflussbestimmenden Öffnungsweite ausgeführt, während ein sich anschließender zweiter Öffnungsabschnitt deutlich aufgeweitet ist. Der zweite Öffnungsabschnitt kann entweder zylindrisch oder kegelförmig erweiternd ausgebildet sein. Die Abspritzöffnungen sind mittels konventioneller Technik, wie Bohren, Fräsen, Prägen oder Erodieren eingebracht.
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Aus der
DE 42 30 376 C1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, dessen Ventilnadel mit dem so genannten Metal-Injection-Molding-Verfahren (MIM-Verfahren) hergestellt ist. Bei der Ventilnadel wird ein aus einem Ankerabschnitt und einem Ventilhülsenabschnitt bestehendes rohrförmiges Betätigungsteil durch Spritzgießen und anschließendes Sintern hergestellt. Anschließend wird das Betätigungsteil mittels einer Schweißverbindung mit einem Ventilschließgliedabschnitt verbunden, so dass die Ventilnadel nur noch aus zwei Einzelbauteilen zusammengesetzt ist. Im Ankerabschnitt und Ventilhülsenabschnitt ist dabei eine durchgehende innere Längsöffnung vorgesehen, in der Brennstoff in Richtung zum Ventilschließgliedabschnitt strömen kann, der dann nahe des Ventilschließgliedabschnittes durch Queröffnungen aus dem Ventilhülsenabschnitt austritt. Bei der Fertigung der Ventilnadel mit dem MIM-Verfahren sind also Schieberwerkzeuge nötig, um die Queröffnungen auszubilden.
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Aus der
DE 40 33 952 C1 ist bereits ein binäres Bindersystem nach Art der Solid-Polymer-Solutions für die Technik des Metal Injection Molding bekannt. Es zeichnet sich durch die Verwendung physiologisch unbedenklicher niedermolekularer Binderkomponenten und durch den Verzicht auf Benetzungsmittel aus. Auf diese Weise lassen sich aus Metallpulvern dichte Formteile problemlos durch Spritzgießen herstellen und aus diesen der Binder entfernen, ohne dass dabei eine Schwindung oder ein Verzug auftritt.
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Bekannt ist bereits aus der
DE 10 2005 036 951 A1 ein Brennstoffeinspritzventil, das sich dadurch auszeichnet, dass der Ventilsitzkörper mittels Metal-Injection-Molding-Verfahren hergestellt ist. Stromabwärts der Ventilsitzfläche sind in dem Ventilsitzkörper mehrere Abspritzöffnungen ausgebildet. Die Abspritzöffnungen umfassen wenigstens einen stromaufwärtigen ersten Abspritzöffnungsabschnitt und einen stromabwärtigen zweiten Abspritzöffnungsabschnitt mit einer unterschiedlichen Öffnungsweite. Ein Wandungsbereich des zweiten Abspritzöffnungsbereichs („Vorstufen“) aller Abspritzöffnungen verläuft auf einem Teilkreis entweder parallel oder im rechten Winkel zur Längsachse des die Abspritzöffnungen aufweisenden Ventilsitzkörpers. Die Vorstufen der Abspritzöffnungen müssen separat entformt werden.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist. In idealer Weise wird das die Abspritzöffnungen aufweisende Ventilbauteil, insbesondere der Ventilsitzkörper, mittels Metal-Injection-Molding-Verfahren (MIM) hergestellt. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Abspritzöffnungen mit komplexen Konturen in großer Anzahl in einem mittels MIM-Verfahren hergestellten Formteil mit hoher Genauigkeit werkzeuggebunden ausformbar sind, so dass hochpräzise, koaxial zu den jeweiligen Lochlängsachsen verlaufende Abspritzöffnungen vorliegen. Die erfindungsgemäße Anordnung und Ausführung der Abspritzöffnungen in dem Ventilbauteil ermöglicht eine zeitgleiche Ausformung einer Vielzahl von reproduzierbaren Abspritzöffnungen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausformung von Abspritzöffnungen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 hat den Vorteil, dass es durch die lochindividuelle Ausformbarkeit der Abspritzöffnungen entlang jeder einzelnen unterschiedlich ausgerichteten Lochlängsachse möglich ist, die Konturen der Abspritzöffnungsabschnitte in einer sehr hohen Varianz in einem Spritzgießwerkzeug zu integrieren. Es ergeben sich erhebliche Kostenvorteile gegenüber bekannten Lösungen, da die Abspritzöffnungen mit ihren Abspritzöffnungsabschnitten werkzeuggebunden hergestellt werden können. Bekannte separate Arbeitsgänge zur Herstellung der Abspritzöffnungsabschnitte wie z.B. Stanzen, Bohren, Erodieren oder Laserbohren können entfallen. Mit hohen Qualitätsmerkmalen unter Einhaltung aller Maßtoleranzen, Formtoleranzen und Lagetoleranzen lassen sich die Abspritzöffnungen mit ihren Abspritzöffnungsabschnitten erfindungsgemäß mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils mit erfindungsgemäß ausgeformten Abspritzöffnungen in einem Ventilsitzkörper,
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2 den Ausschnitt II im Bereich einer Abspritzöffnung in 1 in einer vergrößerten Darstellung, wobei die Abspritzöffnung in einer ersten Ausführung ausgestaltet ist,
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3 die vergrößerte Ansicht der Abspritzöffnung gemäß 2 mit zwei zusätzlichen alternativen Ausführungen und
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4 die vergrößerte Ansicht einer Abspritzöffnung in einer vierten Ausführung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein in 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer an einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens zwei Abspritzöffnungen 7 verfügt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist jedoch idealerweise als Mehrloch-Einspritzventil ausgeführt und hat deshalb zwischen vier und dreißig Abspritzöffnungen 7. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen ein Ventilgehäuse 9 abgedichtet. Als Antrieb dient z.B. ein elektromagnetischer Kreis, der eine Magnetspule 10 als Aktuator umfasst, die in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt ist, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und das Ventilgehäuse 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
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Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. Auf der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Einstellhülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
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In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungskörper 41 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 36 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
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Auf der stromabwärtigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
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Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 12 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der Brennstoff wird durch die Abspritzöffnungen 7 abgespritzt.
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Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
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Erfindungsgemäß sind die Abspritzöffnungen 7 im Ventilsitzkörper 5 spezifisch ausgeführt. Der Ventilsitzkörper 5 wird in vorteilhafter Weise mittels so genanntem MIM-Verfahren hergestellt. Das bereits bekannte und auch als Metal-Injection-Molding (MIM) bezeichnete Verfahren umfasst die Herstellung von Formteilen aus einem Metallpulver mit einem Bindemittel, z. B. einem Kunststoffbindemittel, die miteinander gemischt und homogenisiert werden, beispielsweise auf konventionellen Kunststoffspritzgießmaschinen und das nachfolgende Entfernen des Bindemittels und Sintern des verbleibenden Metallpulvergerüsts. Die Zusammensetzung des Metallpulvers kann dabei auf einfache Weise auf optimale magnetische und thermische Eigenschaften abgestimmt werden.
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Bei Brennstoffeinspritzventilen 1 zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine besteht ein erhebliches Risiko der Belagbildung an den stromabwärtigen Bauteilen, wie Spritzlochscheiben und Ventilsitzkörpern. Insbesondere sind die Abspritzöffnungen 7 anfällig gegen eine Verkokung des freien Querschnitts, so dass es in nachteiliger Weise zu Mindermengen gegenüber den gewünschten Abspritzmengen kommen kann. Entsprechend wünschenswert ist es, den Temperaturhaushalt im Bereich des stromabwärtigen Endes des Brennstoffeinspritzventils 1 rund um den Ventilsitzkörper 5 gezielt einzustellen. Außerdem soll bestmöglich sichergestellt werden, dass über die Abspritzöffnungen 7 über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 eine konstante Durchflussmenge abspritzbar ist. Es wurde herausgefunden, dass insbesondere bei gestuften Abspritzöffnungen 7, die in stromabwärtiger Richtung eine Öffnungsweitenvergrößerung besitzen, die Neigung zur Belagbildung, Verkokung und damit die Gefahr des Zusetzens des freien Querschnitts der Abspritzöffnungen 7 erheblich reduziert sind.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass gestufte bzw. in Abschnitte untergliederte Abspritzöffnungen 7 in großer Anzahl in einem mittels MIM-Verfahren hergestellten Formteil, hier in dem Ventilsitzkörper 5 besonders einfach und kostengünstig und mit hoher Genauigkeit werkzeuggebunden ausformbar sind. Bei bekannten Abspritzöffnungen von Brennstoffeinspritzventilen, die als Mehrloch-Ventile ausgeführt sind, besitzt jede Abspritzöffnung bzw. bei gestuften Abspritzöffnungen jeder stromabwärtige Abspritzöffnungsabschnitt einen eigenen Raumwinkel. Für eine optimierte und kostengünstige und damit zeitgleiche Ausformung einer Vielzahl von Abspritzöffnungen 7 ist eine solche Anordnung und Ausführung der Abspritzöffnungen 7 im Ventilsitzkörper 5 erschwerend.
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, in besonders vorteilhafter Weise gestufte oder in Abschnitte untergliederte Abspritzöffnungen 7 sehr präzise auszuformen. 2 zeigt den Ausschnitt II im Bereich einer Abspritzöffnung 7 in 1 in einer vergrößerten Darstellung in einer ersten Ausführung, wobei deutlich wird, dass die Abspritzöffnung 7 zwei Abspritzöffnungsabschnitte 7’, 7’’ umfasst. Der stromaufwärtige erste Abspritzöffnungsabschnitt 7’ hat dabei eine deutlich kleinere Öffnungsweite als der stromabwärts folgende zweite Abspritzöffnungsabschnitt 7’’. Die Ausrichtung der beiden Abspritzöffnungsabschnitte 7’, 7’’ ein und derselben Abspritzöffnung 7 ist dabei identisch, so dass also eine vollständig koaxial zur Lochlängsachse 50 verlaufende Abspritzöffnung 7 vorliegt.
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In 3 ist die vergrößerte Ansicht der Abspritzöffnung 7 gemäß 2 mit zwei zusätzlichen alternativen Ausführungen gezeigt. Alle drei Ausführungsformen der Abspritzöffnung 7 sind dabei so ausgelegt, dass eine Stufe 43 in Form eines Absatzes zwischen den beiden Abspritzöffnungsabschnitte 7’, 7’’ unterschiedlicher Öffnungsweite vorhanden ist. Von der Stufe 43 ausgehend erstreckt sich der zweite stromabwärtige Abspritzöffnungsabschnitt 7’’ in der ersten Ausführung mit einem zylindrischen Wandabschnitt 45, in der zweiten gestrichelt auf der rechten Seite dargestellten Ausführung mit einem schräg geneigten, konischen Wandabschnitt 46 bzw. in der dritten gestrichelt auf der linken Seite dargestellten Ausführung mit einem parabel- bzw. trompetenförmigen Wandabschnitt 47. Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, dass die Abspritzöffnung 7 über ihre gesamte Länge konzentrisch zur Lochlängsachse 50 verläuft.
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Die Pfeile 44 in der 2 sollen anzeigen, dass bei einer solchen Ausführung der Abspritzöffnungsabschnitte 7’, 7’’ in idealer Weise im MIM-Prozess alle Abspritzöffnungen 7 zugleich werkzeuggebunden axial entlang der Lochlängsachse 50 entformbar sind. Dazu wird in erfindungsgemäßer Weise das entsprechende Spritzgießwerkzeug derart ausgeführt, dass die Abspritzöffnungen 7 fertig fallend hergestellt werden. Das bedeutet, dass die jeweiligen nicht dargestellten Werkzeugstifte entweder plan am Innenkern abgedichtet sind oder in den Werkzeuginnenkern eintauchen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Werkzeugstifte nicht am Innenkern abdichten, sondern ein geringer Zwischenraum zwischen der Werkzeugstiftspitze und dem Innenkern belassen wird. Dieser Zwischenraum ist mit Material gefüllt, der im Spritzzustand oder im fertigen MIM-Zustand noch entfernt werden muss.
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4 zeigt die vergrößerte Ansicht einer Abspritzöffnung 7 in einer vierten Ausführung. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt zwischen den Abspritzöffnungsabschnitten 7’, 7’’ keine Stufe 43 vor. Vielmehr verläuft der erste stromaufwärtige Abspritzöffnungsabschnitt 7’ in einer zylindrischen Gestalt, während sich von einer mittleren Lochebene beginnend der zweite stromabwärtige Abspritzöffnungsabschnitt 7’’ anschließt, dessen Wandabschnitt 51 analog dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel parabel- bzw. trompetenförmig ausgeformt ist. Alternativ kann auch dieser Wandabschnitt 51 mit einer Konizität verlaufen.
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Durch die axiale Ausformbarkeit der gestuften bzw. in Abschnitte untergliederten Abspritzöffnungen 7 ist es möglich, die Konturen der Abspritzöffnungsabschnitte 7’’ in einer hohen Varianz in einem Spritzgießwerkzeug zu integrieren. Es ergeben sich erhebliche Kostenvorteile gegenüber bekannten Lösungen, da die Abspritzöffnungen 7 mit ihren Abspritzöffnungsabschnitten 7’, 7’’ werkzeuggebunden hergestellt werden können. Bekannte separate Arbeitsgänge zur Herstellung der Abspritzöffnungsabschnitte 7’, 7’’ wie z.B. Stanzen, Bohren, Erodieren oder Laserbohren können entfallen. Mit hohen Qualitätsmerkmalen unter Einhaltung aller Maßtoleranzen, Formtoleranzen und Lagetoleranzen lassen sich die Abspritzöffnungen 7 mit ihren Abspritzöffnungsabschnitten 7’, 7’’ erfindungsgemäß mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und z. B. für andersartig angeordnete Abspritzöffnungen 7 anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 1088666 A [0002]
- DE 4230376 C1 [0003]
- DE 4033952 C1 [0004]
- DE 102005036951 A1 [0005]