DE10038954A1

DE10038954A1 - Ventil, insbesondere Einspritzventil

Info

Publication number: DE10038954A1
Application number: DE2000138954
Authority: DE
Inventors: Andreas Fath; Werner Fruth; Peter Hubl; Grit Krueger; Eberhard Kull; Hakan Yalcin
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2002-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere für Common Rail-Einspritzsysteme, mit Steuerorganen für die Einspritzung, insbesondere mit einem Einspritzventil (1), das einen Ventilkörper (2) mit einem Ventilkörpersitz (10) und eine in dem Ventilkörper (2) dicht geführte Ventilnadel (3) mit einem Ventilnadelsitz (9) zur Steuerung einer Düsenöffnung (6) aufweist. Der bei den hohen und permanent wirkenden Einspritzdrücken auftretende Sitzverschleiß wird dadurch vermieden, dass zumindest einer der Sitze (9, 10) bzw. deren Sitzbereiche mit einer verschleißhemmenden Schicht beschichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Ein spritzventil für ein Common Rail-Einspritzsystem, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei herkömmlichen Kraftstoffinjektoren für Einspritzanlagen von Verbrennungsmotoren erfolgt die Steuerung der Kraftstoff einspritzung üblicherweise durch eine Ventilnadel, die in ei nem Ventilkörper eines Einspritzventils dichtend geführt und verschiebbar angeordnet ist. Die Ventilnadel besitzt an ihrer Spitze einen Ventilnadelsitz, der zusammen mit einem Ventil körpersitz des Ventilkörpers mindestens eine Düsenöffnung be herrscht, die im Bereich des Ventilkörpersitzes angeordnet ist.

Die Dichtheit des Einspritzventils ist bei Common Rail-Ein spritzsystemen besonders wichtig, da diese im Gegensatz zur periodischen Einspritzung permanent unter dem jeweiligen Druck des Systems stehen, so dass Undichtheiten zu einer Dau ereinspritzung führen.

Die Sitzbelastung des geschlossenen Einspritzventils hängt vom vorliegenden Kraftstoffdruck, der Druckstufe und der Grö ße der Sitzfläche ab. Bei den aus Gründen einer wirt schaftlichen und schadstoffarmen Verbrennung angestrebten ho hen Einspritzdrücken besteht die Gefahr, dass die Flächen pressung am Ventilkörper- und Ventilnadelsitz die Fließgrenze überschreitet. Die beim Schließen des Einspritzventils auf tretende Mikrorelativbewegung der Sitzflächen führt auch bei Nichterreichen der Fließgrenze zu abrasivem Reibverschluss derselben. Dieser kann die Einspritzmenge, das Strahlbild und die Dichtheit des Einspritzventils negativ beeinflussen und zum Ausfall desselben führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein gattungsge mäßes Ventil Maßnahmen zur Minimierung des Sitzverschleißes anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Der Weg über die Beschichtung bietet zahl reiche Möglichkeiten, die Forderungen des Verschleißschutzes des Ventilnadel- und Ventilkörpersitzes zu erfüllen.

Zu den Faktoren, die den Verschleiß der Schutzschicht direkt beeinflussen, gehören deren Härte, der Abrasionsverschleiß- Koeffizient und der Gleitreibungs-Koeffizient. Weiterhin sind für die Haltbarkeit der Verschleißschutzschicht deren Oxida tions- und Temperaturbeständigkeit sowie deren elastische Verformbarkeit wichtig.

Wichtig für die Haltbarkeit der verschleißhemmenden Schicht ist auch, dass diese neben einer Oberschicht auch mindestens eine haftvermittelnde Zwischenschicht aufweist. Durch letzte re wird eine stabile Haftung der eigentlichen Verschleiß schutzschicht gewährleistet. Die Zwischenschicht kann als Einfach- oder Doppelschicht abgeschieden werden.

Entscheidend für die Dichtheit des Einspritzventils ist auch die Dicke der Verschleißschutzschicht, die nur wenige µm betragen darf.

Eine vorteilhafte Verschleißschutzschicht wird dadurch er zielt, dass die Oberschicht als kohlenstoffhaltige Gleit schicht ausgebildet ist. Die kohlenstoffhaltige Gleitschicht kann lineare, planare und tetragonale Kohlenstoffverbindungen aufweisen, deren Anteile variierbar sind. Durch die Höhe des Anteils der tetragonalen Verbindungen lässt sich die Härte der Gleitschicht einstellen.

Wasserstoffverbindungen sind in der kohlenstoffhaltigen Gleitschicht ebenfalls vorhanden. Bevorzugte Gleitschichten bestehen aus 70 bis 100% Kohlenstoff und 0 bis 30% Wasser stoff.

Um eine verschleißmindernde Oberschicht mit einer Härte von mindestens 1500 HV zu schaffen, muss der Kohlenstoff überwie gend in tetragonaler Form als amorpher, diamantartiger Koh lenstoff a-C:H vorliegen. Der Abrasionsverschleiß-Koeffizient liegt dabei unter 1 × 10^-15 m³N^-1m^-1. Die Gleitreibungs-Koeffi zienten dieser Schichten liegen im Trockenlauf bei µ < 0,2, in dieselgeschmierten Systemen deutlich niedriger.

Die Schichten zeigen gute Oxidationsbeständigkeit und sind temperaturstabil bis über 40000, was vor allen Dingen für die Standfestigkeit der Ventilnadel wichtig ist. Die a-C:H- Schichten besitzen einen sehr hohen Anteil an elastischer Rückverformung, der im allgemeinen über 60% liegt. Durch die se hohe Elastizität in Kombination mit guter Haftung zeigt die Schicht auch gute tribologische Eigenschaften bei Stoss beanspruchung.

Es ist auch von Vorteil, dass die Abscheidung der kohlen stoffhaltigen Oberschicht in einem CVD (= Chemical Vapor De- Position)-Prozess erfolgt. Der CVD-Prozess kann mittels Plas maunterstützung als PA-CVD (= Plasma Activated)-Prozess oder als PE-CVD (= Plasma Enhanced)-Prozess beschleunigt werden. Dabei bleibt die Prozesstemperatur unterhalb 30000.

Eine alternative Oberschicht ist als Hartstoffschicht ausge bildet, die mindestens eine metallische und eine reaktiv zu geführte Komponente aufweist.

Diese besteht aus Zwei- oder Dreistoff-Verbindungen, die durch einen PVD-Prozess, d. h. durch physikalische Mittel ab geschieden werden.

Die Zwei- und Dreistoff-Verbindungen bestehen aus einem der Metalle Titan, Chrom, Aluminium, Zirkonium und Tantal sowie aus mindestens einem der reaktiv zugeführten Komponenten Stickstoff und/oder Sauerstoff oder einem Kohlenwasserstoff gas.

Aus den Metallen und den reaktiv zugeführten Gasen bilden sich folgende Zwei- bzw. Dreistoff-Verbindungen: TiN, CrN, AlN, ZrN, TaN, Ab, ZrO und TiAlN, TiCN, CrON, ZrON, TaON. Die aus diesen Verbindungen bestehenden Oberschichten besit zen aufgrund ihrer hohen Härte, im allgemeinen größer 2000 HV sehr gute Verschleißeigenschaften, jedoch einen höheren Reib wert als die kohlenstoffhaltigen Verbindungen. Die Oxida tions- und Temperaturbeständigkeit und das Verhalten bei Stossbeanspruchung sind ebenfalls vergleichbar. Der elasti sche Anteil liegt mit 40 bis 70% ebenfalls hoch und erlaubt eine Stossbelastung der Verschleißschutzschicht.

Während die Zwischenschicht und die Oberschicht homogen aus gebildet sind, wird die Zwischenschicht als reine Metall schicht abgeschieden. Nach Abscheiden der reinen metallischen Komponente kann die Schichtdeposition auch in einer Kohlen wasserstoffatmosphäre mit steigendem Kohlenstoffanteil bei zunehmender Schichtdicke reaktiv abgeschieden werden und so einen Übergangsbereich zur kohlenstoffhaltigen Oberschicht bilden.

Für die Zwischenschicht kommen die Metalle Titan, Chrom, Ei sen, Wolfram, Siliciun oder Wolframcarbit in Frage, die in einem PVD- oder einem reaktiven PVD-Prozess oder in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess abgeschieden werden. Dabei liegt die Dicke einer Zwischenschicht zwischen 0,1 und 0,6 µm und die Dicke einer doppelten Zwischenschicht zwischen 0,1 und 1,5 µm, so dass die Gesamtdicke der verschleißhemmenden Schicht maximal 5,5 µm beträgt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patent ansprüchen und der folgenden Beschreibung sowie der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schema tisch dargestellt ist.

Die einzige Figur zeigt als Ventil ein Einspritzventil eines Kraftstoffinjektors, dessen Ventilnadelspitze und dessen Ven tilkörpersitz eine verschleißhemmende Beschichtung aufweisen.

Ein Einspritzventil 1 besteht aus einem Ventilkörper 2 und einer Ventilnadel 3, die mit einer Ventilnadelführung 4 in dem Ventilkörper 2 dicht geführt ist. In einem Sackloch 5 des Ventilkörpers 2 ist eine Düsenöffnung 6 vorgesehen.

Die Ventilnadel 3 weist eine Ventilnadelspitze 7 mit einer Sitzkante und einem Ventilnadelsitz 9 auf. Dieser sitzt auf einem Ventilkörpersitz 10 auf und dichtet somit das Ein spritzventil 1 mit der Düsenöffnung 6 ab.

Der Kraftstoff gelangt über eine Zuführbohrung 11 und einen zwischen der Ventilnadel 3 und dem Ventilkörper 2 liegenden Ringraum 12 zur Sitzkante 8 und bei angehobener Ventilnadel 3 weiter über das Sackloch 5 und die Düsenöffnung 6 in den Brennraum des Verbrennungsmotors.

Der Ventilkörpersitz 10 und/oder der Ventilnadelsitz 9 sind entweder mit einer harten, amorphen bzw. diamantartigen Koh lenstoffschicht a-C:H oder mit einer Hartstoffschicht aus Verbindungen zwischen den Metallen Titan, Aluminium, Chrom, Zirkonium und Tantal mit Sauerstoff und Stickstoff beschich tet. Zur Verbesserung der Haftfähigkeit dieser Schichten ist eine haftvermittelnde Zwischenschicht aus einem der Metalle Titan, Chrom, Eisen, Wolfram, Wolframcarbit oder Silicium zwischen der harten Oberschicht und dem Trägermaterial vorge sehen. Eine derartige mehrlagige Anordnung bietet den Vor teil, dass die innen liegende Lage auf eine optimale Haftung auf dem Untergrund ausgelegt werden kann, während die außen liegende Lage eine minimale Reibung und maximale Härte bie tet. Ober- und Zwischenschicht erreichen zusammen eine Dicke von maximal 5,5 µm, die die Funktion der Bauteile, vor allem die Dichtheit des Einspritzventils 1 gewährleistet. Die Dicke der Oberschicht liegt im Bereich von 0,05 bis 4 µm, vorzugs weise zwischen 0,5 und 2 µm.

Die verschleißhemmenden Schichten zeichnen sich durch große Härte von über 1500 bis über 2000 HV und durch einen niedri gen Gleitreibungskoeffizienten von µ < 0,2 aus, der durch Kraftstoffschmierung noch erheblich sinkt.

Durch die große Härte der Verschleißschutzschicht und durch deren geringe Reibung wird der abrasive Reibverschleiß der Sitze 9, 10 weitgehend unterbunden.

Durch die gute Oxidationsbeständigkeit und Temperaturstabili tät der Verschleißschutzschichten halten diese den heißen und sauerstoffhaltigen Verbrennungsgasen stand, die durch die Dü senöffnung 6 in das Einspritzventil 1 eindringen. Aufgrund der hohen Elastizität und der guten Haftung der Schichten sind diese auch für Stossbelastungen geeignet, wie sie sich beim Schließen des Einspritzventils 1 ergeben.

Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich auch für die Sitze des Steuerventils des Kraftstoffinjektors oder für je des andere Ventil.

Claims

1. Ventil, insbesondere Einspritzventil für ein Common Rail-Einspritzsystem, das einen Ventilkörper (2) mit einem Ventilkörpersitz (10) und eine in dem Ventilkörper (2) ge führte Ventilnadel (3) mit einem Ventilnadelsitz (9) zur Steuerung einer Öffnung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Sitze (9, 10) bzw. deren Sitzberei che mit einer verschleißhemmenden Schicht beschichtet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschleißhemmende Schicht eine Ober- und mindestens eine haftvermittelnde Zwischenschicht aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Oberschicht 0,05 bis 4 µm, vorzugsweise 0,5 bis 2 µm beträgt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht als kohlenstoffhaltige Gleitschicht ausgebildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Gleitschicht vorzugsweise aus 70 bis 100% Kohlenstoff und 0 bis 30% Wasserstoff besteht.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Oberschicht aus einer amorphen, diamantar tigen Kohlenstoffschicht a-C:H besteht, die eine Härte von mindestens 1500 HV aufweist.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Oberschicht in einem CVD (= Chemical Vapor Deposition)-Prozess erfolgt.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der CVD-Prozess vorzugsweise mittels Plasmaunterstützung als PA- CVD (= Plasma Activated)-Prozess oder als PE-CVD (= Plasma Enhanced)-Prozess abläuft.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur beim TA-CVD und PE-CVD-Prozess vorzugsweise unterhalb von 300°C liegt.

10. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht als Hartstoffschicht ausgebildet ist, die min destens eine metallische und eine reaktiv zugeführte Kompo nente aufweist.

11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hartstoffschicht ausgebildete Oberschicht vorzugs weise Zwei- oder Dreistoff-Verbindungen aufweist, die durch einen PVD (= Physical Vapor Deposition)-Prozess abgeschieden werden.

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Komponenten der Hartstoffschicht z. B. Titan, Ohrom, Aluminium, Zirkonium und Tantal und als reaktiv zuge führte Komponente Stickstoff und/oder Sauerstoff oder ein Kohlenwasserstoffgas zur Anwendung kommen.

13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschicht beispielsweise zumindest eine der folgenden Zwei- bzw. Dreistoff-Verbindungen aufweist: TiN, CrN, AlN, ZrN, TaN, Ab, ZrO und TiAlN, TiCN, GrON, ZrON und TaON.

14. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht und die Oberschicht homogen ausgebildet sind.

15. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht und die Oberschicht einen gemeinsamen Über gangsbereich aufweisen.

16. Ventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Metallen wie Titan, Chrom, Eisen, Wolfram, Wolframcarbit oder Silicium besteht.

17. Ventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht in einem PVD- oder einem reaktiven PVD- Prozess oder in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess ab schaltbar ist.

18. Ventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer einfachen Zwischenschicht zwischen 0,1 und 0,6 µm und die Dicke einer doppelten Zwischenschicht zwischen 0,1 und 1,5 µm liegen.

19. Kraftstoffinjektor mit einem Ventil nach einem der An sprüche 1 bis 18.