DE102004047183A1

DE102004047183A1 - Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102004047183A1
Application number: DE200410047183
Authority: DE
Inventors: Joerg Schoefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-03-30
Also published as: FR2875864A1; CN1755098A

Abstract

Durch Druckschwingungen im Druckraum (19) eines Kraftstoffeinspritzventils kommt es zu einem periodischen Aufweiten des Ventilkörpers (1). Dies bewirkt eine Relativbewegung der entsprechenden Ventildichtfläche (7) der Ventilnadel (5) gegenüber dem Ventilsitz (9), so dass an dieser Stelle eine erhöhte Reibung auftreten kann, die zu einer Änderung des Öffnungsverhaltens des Kraftstoffeinspritzventils führen kann. Um diesem Problem zu begegnen, ist auf einer der Flächen (7; 9) eine Beschichtung (30) mit einem erhöhten Reibwert gegenüber Stahl aufgebracht, so dass beide Flächen (7; 9) gut aneinander haften und sich relativ zueinander nicht bewegen, wenn entsprechende Druckschwingungen im Ventilkörper (1) auftreten. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, sowohl auf dem Ventilsitz (9) als auch auf der Ventildichtfläche (7) eine Beschichtung aufzubringen, die einen entsprechend hohen Reibwert gegen eine Beschichtung derselben Art aufweist (Figur 2).

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil aus, wie es beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 101 33 433 A1 bekannt ist. Das bekannte Kraftstoffeinspritzventil weist einen Ventilkörper auf, in dem eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel weist eine Ventildichtfläche auf, mit der sie mit einem im Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Durch ihre Längsbewegung steuert die Ventilnadel einen Kraftstofffluss aus einem Druckraum zu einer oder zu mehreren Einspritzöffnungen, die in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. Die Abdichtung des Druckraums erfolgt dadurch, dass die Ventilnadel mit ihrer Ventildichtfläche auf dem Ventilsitz aufsitzt und dadurch die Einspritzöffnungen dichtend verschließt.

Moderne Einspritzsysteme für schnelllaufende Brennkraftmaschinen arbeiten nach verschiedenen Methoden. Eine Möglichkeit ist der Einsatz einer Verteilerpumpe, die für jede Einspritzung einen Kraftstoffstoß erzeugt, der sich von der Pumpe bis in einen Druckraum fortsetzt, der die Ventilnadel umgibt. Durch den ansteigenden Druck in diesem Druckraum ergibt sich eine in Längsrichtung wirkende hydraulische Kraft auf die Ventilnadel, die zu einer Längsbewegung derselben führt und die Einspritzöffnungen freigibt. Eine andere Möglichkeit, wie sie bei sogenannten Common-Rail-Einspritzsystemen verwendet wird, ist die, einen vorgegebenen hohen Kraftstoffdruck im Druckraum zu erzeugen und die Ventilnadel durch eine entsprechend hohe Schließkraft in ihrer Schließstellung zu halten, bis eine Einspritzung erwünscht ist. Die Schließkraft wird dann reduziert, so dass die Ventilnadel durch den Druck in den Druckraum bewegt wird und die Einspritzung erfolgt.

Bei beiden genannten Einspritzsystemen ergibt sich ein wechselnder Druck im Druckraum, der bei der Verteilerpumpe durch die einzelnen Druckstöße hervorgerufen wird und bei Common-Rail-Systemen durch Druckschwingungen, wie sie beim Öffnen und Schließen der Ventilnadel erzeugt werden. Die Druckschwingungen führen zu einer periodischen Aufweitung des Ventilkörpers und damit zu einer leichten Bewegung der Ventildichtfläche gegenüber dem Ventilsitz, so dass sich an dieser Stelle Reibung ergibt. Durch die Reibung gräbt sich die Ventildichtfläche mit der Zeit in den Ventilsitz ein, so dass sich die vom Kraftstoffdruck im Druckraum beaufschlagte Teilfläche der Ventildichtfläche ändert. Dies verändert den Druck, bei dem die Ventilnadel öffnet, und damit die Einspritzcharakteristik, die sich so über die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils allmählich ändert. Dies erschwert eine präzise Einspritzung, da hierfür der Öffnungsdruck genau bekannt sein muss.

Zur Vermeidung dieses Problems ist es beispielsweise aus der DE 101 33 433 A1 bekannt, den Ventilsitz oder die Ventildichtfläche mit einer harten Beschichtung zu versehen, z.B. mit einer sogenannten DLC-Schicht (diamond like carbon), also einer diamantartigen Kohlenstoffschicht. Diese sehr harten Kohlenstoffschichten verhindern den Verschleiß trotz Bewegung der Ventildichtfläche gegenüber dem Ventilsitz, so dass sich der Verschleiß über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils in vertretbaren Grenzen hält.

Solche Beschichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie sehr aufwendig zu fertigen sind und sich das Kraftstoffeinspritzventil dadurch nicht unerheblich verteuert. Darüber hinaus besteht auch bei einer sachgemäß aufgebrachten Schicht die Gefahr, dass dieses sehr harte und spröde Material durch die starke mechanische Beanspruchung beim Aufsetzen der Ventilnadel auf dem Ventilsitz abplatzt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sich der Verschleiß zwischen Ventilfläche und Ventilsitz entscheidend vermindert und dies bei niedrigen Kosten. Hierzu ist die Ventilnadel oder der Ventilsitz mit einer Beschichtung versehen, die einen hohen Reibwert in der Paarung mit Stahl aufweist. Dies führt dazu, dass die Ventildichtfläche mit einer hohen Haftreibung auf dem Ventilsitz aufsitzt, so dass sich Ventilsitz und Ventildichtfläche durch das leichte Aufweiten eines Ventilkörpers nicht gegenseitig bewegen können. Da es jetzt im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils keine Bewegung zwischen Ventildichtfläche und Ventilsitz gibt, tritt an dieser Stelle nur eine deutlich verminderte Reibung auf, so dass der Verschleiß in diesem Bereich stark zurückgeht und der Öffnungsdruck des Kraftstoffeinspritzventils über die Lebensdauer konstant bleibt.

Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Schicht aus einem im Vergleich zu Stahl weichen Metall, wobei hierbei besonders die Verwendung von Gold, Nickel oder Palladium vorteilhaft ist. Es ist jedoch auch möglich, eine Beschichtung aus einem Kunststoff aufzubringen. Sowohl die genannten Metalle als auch die Kunststoffe lassen sich mit wenig Aufwand auf die Ventildichtfläche bzw. den Ventilsitz aufbringen, so dass hierdurch nur geringe Kosten entstehen. Alle diese Materialien haben die Eigenschaft, dass sie gegenüber Stahl einen hohen Reibwert besitzen, so dass die Ventilnadel, wenn sie mit großer Kraft gegen den Ventilsitz gepresst wird, mit ihrer Ventildichtfläche auf dem Ventilsitz haftet und keine Relativbewegung zwischen Ventilsitz und Ventildichtfläche stattfindet.

Besonders vorteilhaft sind diese Beschichtungen bei einem Ventilsitz und einer Ventildichtfläche, die zumindest annähernd konisch geformt sind. Hierbei ist eine Beschichtung in einer Dicke von höchstens 5 μm vorteilhaft, die sich zum einen schnell aufbringen lässt und die zum anderen nicht die mechanische Stabilität der Ventilnadel bzw. die der Paarung Ventilnadel/Ventilsitz gefährdet.

Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils dargestellt. Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil und
2 eine vergrößerte Darstellung von 1 im Bereich des Ventilsitzes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 3 ausgebildet, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 9 gehen eine oder mehrere Einspritzöffnungen 11 aus, die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist eine kolbenförmige Ventilnadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die in einem dem Ventilsitz 9 abgewandten Führungsabschnitt 15 dichtend in einem Führungsbereich 23 der Bohrung 3 geführt ist. Ausgehend vom Führungsabschnitt 15 verjüngt sich die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 9 unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht an ihrem dem Ventilsitz 9 zugewandten Ende in eine im wesentlichen konische Ventildichtfläche 7 über. Die Bohrung 3 ist auf Höhe der Druckschulter 13 radial erweitert und bildet einen Druckraum 19, der die Ventilnadel 5 von der radialen Erweiterung bis zum Ventilsitz 9 umgibt. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Ventilkörper 1 ausgebildeter Zulaufkanal 25, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Die Ventilnadel 5 wird an ihrem dem Ventilsitz 9 abgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 9 beaufschlagt. Die Schließkraft kann hierbei beispielsweise durch eine Feder oder mit einer hydraulischen Vorrichtung erzeugt werden.
Die Funktionsweise ist so, dass durch den Druck im Druckraum 19 durch die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7 eine vom Ventilsitz 9 weggerichtete Öffnungskraft auf die Ventilnadel 5 wirkt. Übersteigt die hydraulische Öffnungskraft die Schließkraft, so bewegt sich die Ventilnadel 5 vom Ventilsitz 9 weg und gibt die Einspritzöffnungen 11 frei. Dadurch strömt Kraftstoff aus dem Druckraum 19 zwischen der Ventildichtfläche 7 und dem Ventilsitz 9 hindurch und wird durch die Einspritzöffnungen 11 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Hierbei kann es entweder vorgesehen sein, dass die Ventilnadel 5 von einer konstanten Schließkraft beaufschlagt wird und die einzelne Einspritzung durch einen Druckstoß initiiert wird, der in den Druckraum 19 eingebracht wird, beispielsweise durch eine Verteilerpumpe. Oder es kann vorgesehen sein, den Druck im Druckraum 19 konstant zu halten und damit auch die Öffnungskraft auf die Ventilnadel 5. Zur Steuerung wird dann eine variable Schließkraft verwendet, so dass sich die Ventilnadel 5 beim Absenken der Schließkraft vom Ventilsitz 9 wegbewegt und damit, wie oben bereits beschrieben, eine Einspritzung stattfindet.
2 zeigt eine Vergrößerung von 1 am brennraumseitigen Ende des Ventilkörpers 1. Die Ventilnadel 5 weist eine Beschichtung 30 auf, die den gesamten Bereich der Ventildichtfläche 7 bedeckt, die mit dem Ventilsitz 9 in Berührung kommt. Gezeigt ist in 2 die Öffnungsstellung der Ventilnadel 5, wobei der axiale Abstand zwischen Ventilnadel 5 und Ventilsitz 9 der Übersichtlichkeit halber übertrieben dargestellt ist. Die linke Hälfte der 2 zeigt eine Anordnung von Einspritzöffnungen 11, die direkt vom konischen Ventilsitz 9 ausgehen. Ein Kraftstoffeinspritzventil mit derart angeordneten Einspritzöffnungen 11 wird üblicherweise als Sitzlochdüse bezeichnet. Die rechte Hälfte der 2 zeigt demgegenüber, dass die Einspritzöffnungen 11 von einem Sackloch 17 ausgehen, welches sich an den konischen Ventilsitz 9 anschließt. Die Ventilnadel 5 dringt nur zum Teil in das Sackloch 17 ein, so dass sich dort ein Kraftstoffreservoir bildet mit einem allseitig gleichen Druck, der die verschiedenen Einspritzöffnungen 11 versorgt.
Sowohl beim Betrieb mittels einer Verteilerpumpe, bei dem der Kraftstoffdruck im Druckraum 19 zu jeder Einspritzung pulsartig erhöht wird, als auch beim Betrieb mit sogenannten Common-Rail-Einspritzsystemen, die einen konstanten Druck im Druckraum 19 halten, kommt es zu Druckschwingungen im Druckraum 19. Bei Common-Rail-Systemen liegt eine Ursache darin, dass der Kraftstoff im Druckraum 19 durch das Schließen und Öffnen der Ventilnadel 5 beschleunigt und wieder abgebremst wird. Diese Druckschwingungen führen zu einem periodischen Aufweiten des Ventilkörpers 1 im Bereich des Druckraums 19, so dass sich auch der Ventilkörper 1 im Bereich des Ventilsitzes 9 entsprechend leicht verformt. Durch die Beschichtung 30, die gegenüber Stahl einen hohen Reibwert aufweist, sitzt die Ventilnadel 5 mit ihrer Ventildichtfläche 7 jedoch mit hoher Haftreibung auf dem Ventilsitz 9 auf, so dass es zu keiner Relativbewegung zwischen Ventildichtfläche 7 und Ventilsitz 9 kommt.
Die Beschichtung 30 besteht, wie bereits erwähnt, aus einem Material, das gegenüber Stahl einen hohen Reibwert aufweist. Geeignet sind dafür beispielsweise Metalle, die im Vergleich zu Stahl relativ weich sind. In Frage kommen deshalb z. B. Gold, Nickel oder Palladium, wobei die Metalle in einer Schichtdicke von weniger als 5 μm auf die Ventildichtfläche 7 aufgebracht werden. Ebenso möglich ist die Beschichtung 30 der Ventildichtfläche 7 mit einem geeigneten Kunststoff.
Es kann auch vorgesehen sein, die Beschichtung 30 nicht auf die Ventildichtfläche, sondern auf den Ventilsitz 9 aufzubringen. Auch eine Beschichtung beider Flächen ist möglich. In diesem Fall muss das Material der Beschichtung allerdings einen entsprechend hohen Reibwert nicht oder nicht nur in der Paarung mit Metall, sondern auch mit demselben Material der Beschichtung aufweisen.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einer Ventilnadel (5), die an ihrem einen Ende eine Ventildichtfläche (7) aufweist, die durch eine Längsbewegung mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkt und so einen Kraftstofffluss aus einem Druckraum (19) zu wenigstens einer Einspritzöffnung (11) steuert, indem bei Anlage der Ventilnadel (5) auf dem Ventilsitz (9) der Kraftstofffluss unterbrochen wird, während der Kraftstofffluss freigegeben wird, wenn die Ventilnadel (5) vom Ventilsitz (9) abgehoben hat, wobei der Ventilsitz (9) aus einem Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Ventildichtfläche (7) oder der Ventilsitz (9) mit einer Beschichtung (30) versehen ist, die einen hohen Reibwert in der Paarung mit Stahl aufweist.
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einer Ventilnadel, die an ihrem einen Ende eine Ventildichtfläche (7) aufweist, die durch eine Längsbewegung mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkt und so einen Kraftstofffluss aus einem Druckraum (19) zu wenigstens einer Einspritzöffnung (11) steuert, indem bei Anlage der Ventilnadel (5) auf dem Ventilsitz (9) der Kraftstofffluss unterbrochen wird, während der Kraftstofffluss freigegeben wird, wenn die Ventilnadel (5) vom Ventilsitz (9) abgehoben hat, wobei die Ventilnadel (5) und damit die Ventildichtfläche (7) aus einem Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (9) und die Ventildichtfläche (7) mit einer Beschichtung (30) versehen ist, die einen hohen Reibwert in der Paarung mit derselben Beschichtung (30) aufweist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) aus einem im Vergleich zum Stahl des Ventilsitzes (9) weichen Metall besteht.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) aus Gold, Nickel oder Palladium besteht.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) aus einem Kunststoff besteht.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (9) zumindest annähernd konisch geformt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildichtfläche (7) zumindest annähernd konisch geformt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) eine Dicke von höchstens 5 μm aufweist.