DE102004002678A1

DE102004002678A1 - Ventilnadel und Ventil

Info

Publication number: DE102004002678A1
Application number: DE200410002678
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Fruth; Eberhard Kull; Jürgen Schindlatz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: DE112005000139A5; DE102004002678B4; WO2005068825A1

Abstract

Ein Ventil hat einen Ventilkörper (2), in dem ein Sitz ausgebildet ist, und eine Ventilnadel (4), die einen Sitzbereich hat, der in einer Schließposition der Ventilnadel (4) in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers (2). Der Ventilkörper (2) ist im Bereich des Sitzes und/oder die Ventilnadel (4) ist in dem Sitzbereich mit einer Schichtenfolge aus mindestens einer ersten Haftschicht (14), einer ersten Verschleißschutzschicht (16), einer zweiten Haftschicht (18) und einer zweiten Verschleißschutzschicht (20) versehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilnadel und ein Ventil mit einem Ventilkörper, in dem ein Sitz ausgebildet ist, und mit einer Ventilnadel, die einen Sitzbereich hat, der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers.
Derartige Ventile werden insbesondere eingesetzt zum Zuführen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile werden zunehmend mit Fluid, insbesondere Kraftstoff versorgt, das unter einem sehr hohen Druck steht, so zum Beispiel bis zu 2000 bar bei Diesel-Brennkraftmaschinen. Derartige Ventile werden zunehmend häufig mittels Piezoantrieben angetrieben, die ein sehr schnelles Schaltverhalten haben und so mehrere Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine ermöglichen. Je nach Betriebszustand erfolgen beispielsweise bis zu fünf Teileinspritzungen pro Arbeitszyklus des Zylinders.
In ihrer Schließstellung liegt die Ventilnadel mit ihrem Sitzbereich an einem Sitz eines Ventilkörpers des Ventils an. Bei jedem Einspritzvorgang wird die Ventilnadel in eine Position entfernt von der Schließposition gesteuert und anschließend wieder in die Schließposition gesteuert. Aufgrund der hohen Kräfte, mit denen die Ventilnadel in ihrem Sitzbereich in den Sitz des Ventilkörpers gedrückt wird, und der während des Betriebs sehr häufigen Bewegungen der Ventilnadel hin und weg von ihrer Schließposition ist die Ventilnadel einem sehr starken Verschleiß ausgesetzt. Beim Schließen des Einspritzventils treten Mikrorelativbewegungen des Sitzbereichs und des Sitzes des Ventilkörpers auf, die auch vor Erreichen der Fließgrenze zu hohen abrassiven Belastungen der Ventilnadel und des Ventilkörpers führen. Dadurch kann sich dann das Strahlbild und die Dichtheit des Einspritzventils negativ verändern und gegebenenfalls ein Ausfall des Ventils auftreten.

Aus der DE 100 38 954 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, dessen Ventilnadel mit einer metallischen Haftvermittlerschicht und einer darauf aufgebrachten diamantartigen Verschleißschutzschicht versehen ist. Die Dicke der Verschleißschutzschicht liegt im Bereich von 0,05 bis zu maximal 4 μm. Aufgrund der immer weiter zunehmenden Anzahl an Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders und wachsenden Anforderungen an die Gesamtlebensdauer des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel können unter Umständen mit einer derartigen Verschleißschutzschicht diese Anforderungen nicht mehr erfüllt werden.

Aus der WO 01/61182 ist ebenfalls ein Ventil mit einer Ventilnadel bekannt, die mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht beschichtet ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilnadel und ein Ventil zu schaffen, die beziehungsweise das über eine lange Betriebszeitdauer zuverlässig sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Ventilnadel und ein Ventil mit einer Ventilnadel und mit einem Ventilkörper, in dem ein Sitz ausgebildet ist. Die Ventilnadel hat einen Sitzbereich, der in einer Schließposition der Ventilnadel in Anlage ist mit dem Sitz des Ventilkörpers. Der Ventilkörper ist im Bereich des Sitzes und/oder die Ventilnadel ist im Sitzbereich mit einer Schichtenfolge aus mindestens einer Haftschicht, einer ersten Verschleißschutzschicht und einer zweiten Haftschicht mit einer zweiten Verschleißschutzschicht versehen. Die Verschleißschutzschichten können so eine Dicke aufweisen, durch die sichergestellt werden kann, dass keine zu hohen Eigenspannungen auftreten, die zu einem Abplatzen der Verschleißschutzschichten führen können. Aufgrund der mehrfach vorhandenen Verschleißschutzschicht kann zum anderen die Ventilnadel beziehungsweise der Ventilkörper auch unter stark abrassiven Bedingungen für eine sehr lange Betriebsdauer geschützt werden.

Die Schichtstruktur hat ferner den Vorteil, dass jeweils ggf. dünner ausgebildete Verschleißschutzschichten eine höhere Elastizität haben als eine einzige entsprechend dicker ausgebildete Verschleißschutzschicht. Ist die Dicke einer einzigen Verschleißschutzschicht hingegen stark vergrößert, so kann sie nur noch äußert geringer Verformungen verkraften, ohne dass es zu einer Rissbildung kommt. Durch die Haftschichten, die elastische Eigenschaften haben, ist die gesamte Elastizität der Schichtenfolge erhöht.

Eine noch längere Betriebdauer kann gewährleistet werden, wenn die Schichtenfolge der ersten Haftschicht und der ersten Verschließschutzschicht mehrfach wiederholt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein allmählicher Übergang von der jeweiligen Haftschicht zu der nächsten Verschleißschutzschicht und umge kehrt. Dies hat den Vorteil, dass die guten tribologischen Eigenschaften der Verschleißschutzschichten, das heißt der geringe Reibungskoeffizient , die hohe Härte und ein geringerer Verschleisskoeffizient, in entsprechendem Maße auch in dem Übergangsbereich von der jeweiligen Haftschicht zu der Verschleißschutzschicht und umgekehrt vorhanden sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verschleißschutzschichten diamantartige Kohlenstoffschichten sind. Derartige diamantartige Kohlenstoffschichten zeichnen sich durch einen sehr hohen Kohlenstoffanteil aus und eine hohe Anzahl an tetragonalen Kohlenstoffbindungen, sogenannte sp³-Verbindungen. Diamantartige Kohlenstoffschichten besitzen diamantähnliche Eigenschaften und weisen so eine große Härte und einen geringen Verschleißkoeffizienten auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Haftschichten jeweils eine Metallschicht. Entsprechende Metallschichten zeichnen sich durch gute haftvermittelnde Eigenschaften für die Verschleißschutzschichten aus. Sie gewährleisten eine sehr gute Dauerhaltbarkeit der Verschleißschutzschichten wegen der guten Wärmeleitungseigenschaften von Metallen und einer damit verbundenen verbesserten Wärmeabführung von den Verschleißschutzschichten. Dies ist insbesondere beim Einsatz des Ventils beziehungsweise der Ventilnadel unter hohen Betriebstemperaturen ein wesentlicher Vorteil, da die einzelnen Verschleißschutzschichten besser gegen thermische Zerstörung geschützt sind. Durch die verbesserte Wärmeabführung kann insbesondere im Zusammenhang mit diamantartigen Kohlenstoffschichten äußerst wirksam eine Graphitisierung der diamantartigen Kohlenstoffschichten verhindert werden, das heißt eine Umwandlung der sp³-Kohlenstoffbindung in graphittypische sp²- Kohlenstoffbindungen. So kann auch bei extremen Betriebsbedingungen über eine sehr lange Betriebsdauer der Verschleißschutz gewährleistet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Haftschicht reaktive Verbindungen . So zeigen z.B. Nitride oder Carbide eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, wenn als Reaktionspartner für die Metallkomponente z.B. Stickstoff, Sauerstoff oder ein Kohlenstoffgas eingesetzt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Ventil,
2a eine Vergrößerung eines Ausschnitts des Ventils gemäß 2 im Bereich einer Spitze einer Ventilnadel und
2b und 2c weitere Vergrößerungen der Ventilnadel im Bereich der Ventilspitze.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Einspritzventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf mit einer Ausnehmung 3, in die eine Ventilnadel 4 eingebracht ist. Die Ventilnadel 4 hat eine Führung 5, in deren Bereich sie in der Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 2 geführt ist. Die Ausnehmung 3 weist ein Sackloch 6 auf von dem eine Düsenöffnung 7 durch den Ventilkörper 2 nach außen geführt ist und durch die der Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine zugemessen wird. In dem Bereich einer Spitze 8 der Ventilnadel 4 hat die Ventilnadel 4 einen Sitzbereich 9, mit dem sie in der in der 1 dargestellten Schließposition mit einem Sitz 10 des Ventilkörpers 2 zur Anlage kommt und so das Sackloch 6 und damit auch die Düsenöffnung 7 von einer Zuführbohrung 11 zum Zuführen von Kraftstoff abdichtet.
Die Ventilnadel (2a bis 2c) ist zumindest in ihrem Sitzbereich 9 mit einer im folgenden beschriebenen Schichtenfolge beschichtet. Sie kann jedoch auch in einem weitergehenden Bereich, so zum Beispiel in dem gesamten Bereich der Spitze 8 der Ventilnadel 4 oder auch bis hin zu ihrer Führung 5 oder einschließlich ihrer Führung 5, mit der im folgenden beschriebenen Schichtenfolge beschichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Ventilkörper 2 mit der im folgenden Schichtenfolge zumindest im Bereich des Sitzes 10 des Ventilkörpers beschichtet sein. Bevorzugt ist jedoch die Ventilnadel 4 mit der Schichtenfolge beschichtet, da dies fertigungstechnisch einfacher ist.
Die Schichtenfolge besteht zumindest aus einer ersten Haftschicht 14, einer ersten Verschleißschutzschicht 16, einer zweiten Haftschicht 18 und aus einer zweiten Verschleißschutzschicht 20. Die Haftschichten 14, 18, 22 sind so ausgebildet, dass sie ein gutes Haften der Verschleißschutzschichten 16, 20, 24 gewährleisten. Die Haftschichten 14, 18, 22 bestehen bevorzugt aus reinen Metallen, so zum Beispiel Cr, Ti, Al, W, Wc oder sind reaktive Verbindungen zum Beispiel mit Stickstoff, das heißt Hartstoffschichten oder mit Stickstoff und Sauerstoff, das heißt Oxinitride oder mit einem Reaktivgas, einem Kohlenwasserstoffgas versehene Schichten.
Die Verschleißschutzschichten 16, 20, 24 bestehen bevorzugt aus diamantartigen Kohlenstoffschichten, die sich durch einen sehr hohen Kohlenstoffanteil aufzeichnen und bei denen die Kohlenstoffatome eine hohe Anzahl an sp³-Verbindungen sogenannten tetragonalen Kohlenstoffverbindungen eingehen. Derartige diamantartige Kohlenstoffschichten werden auch als DLC-Schichten, als amorpher, diamantartiger Kohlenstoff a-c:h oder auch als wasserstofffreie Kohlenstoffschicht ta-c Schichten bezeichnet. Der Abrassionsverschleiss-Koeffizient derartiger Schichten liegt dabei unter 1 × 10^-15 m³N^-1m^-1. Die Gleitreibungs-Koeffizienten dieser Schichten liegen im Trockenlauf bei μ < 0,2 und in dieselgeschmierten Anordnungen deutlich darunter.
Die Abscheidung derartiger kohlenstoffhaltiger Verschleißschutzschichten kann beispielweise mittels eines CVD (= chemical vapour d-position)-Prozess erfolgen sie kann jedoch auch mittels eines Laserbogenplasma-Prozesses erfolgen.
Die einzelne Verschleißschutzschicht ist bevorzugt zwischen ca. 0,1 bis 3 μm dick. Die einzelne Haftschicht 14, 18, 22 ist bevorzugt wenige Hunderstel bis Zehntel μm dick. Durch eine derart abwechselnde Schichtenfolge lassen sich ohne weiteres eine Gesamtschichtdicke von beispielsweise 10 μm herstellen. Wenn die Haftschichten 14, 18, 22 eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, so wird auch bei einer hohen thermischen Belastung, wie sie bei Brennkraftmaschinen vorkommt, zuverlässig eine Graphitisierung der Verschleißschutzschichten 16, 20, 24 vermieden. So kann es von Vorteil sein auch zum Erreichen von weniger dicken aber auch von sehr dicken Gesamtschichtdicken eine Vielzahl von Haftschichten und Verschleißschutzschichten vorzusehen, um so die thermische Belastung der einzelnen Verschleißschutzschicht gering zu halten. Es kann auch von Vorteil sein die inneren Verschleißschutzschichten dünner auszubilden als die äußeren Verschleißschutzschichten.
So können beispielsweise neben der ersten und zweiten Haftschicht 14, 18 und der ersten und der zweiten Verschleißschutzschicht 16, 20 noch eine dritte Haftschicht 22 (2C) und eine dritte Verschleißschutzschicht 24 vorgesehen sein. Es können jedoch auch noch zusätzliche Haftschichten und Verschleißschutzschichten vorgesehen sein. Durch entsprechende Prozessführung bei der Abscheidung der Haftschichten und der Verschleißschutzschichten kann auch ein allmählicher Übergang von der jeweiligen Haftschicht zu der Verschleißschutzschicht und umgekehrt erfolgen. Dadurch können dann auch im Bereich des Übergangs entsprechend angepasste tribologische Eigenschaften sichergestellt werden. Durch die beschriebene Schichtenfolge sind Gesamtschichtdicken von 10 μm und darüber herstellbar. Selbstverständlich können die Gesamtschichtdicken auch deutlich geringer sein als 10 μm.

Claims

Ventilnadel für ein Ventil (1), die einem Sitzbereich (9) hat mit einer darauf aufgebrachten Schichtenfolge aus mindestens einer ersten Haftschicht (14), einer ersten Verschleißschutzschicht (16), einer zweiten Haftschicht (18) und einer zweiten Verschleißschutzschicht (20).
Ventilnadel nach Anspruch 1, bei der die Schichtenfolge der ersten Haftschicht (14) und der ersten Verschleißschutzschicht (16) mehrfach wiederholt ist.
Ventilnadel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein allmählicher Übergang von der jeweiligen Haftschicht (14, 18, 22) zu der nächsten Verschleißschutzschicht (16, 20, 24) und umgekehrt erfolgt.
Ventilnadel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Verschleißschutzschicht (16, 20, 24) eine diamantartige Kohlenstoffschicht ist.
Ventilnadel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Haftschicht (14, 18, 22) eine Metallschicht ist.
Ventilnadel nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Haftschicht reaktive Verbindungen umfasst.
Ventil mit einem Ventilkörper (2), in dem ein Sitz (10) ausgebildet ist, und mit einer Ventilnadel (4), die einen Sitzbereich (9) hat, der in einer Schließposition der Ventilnadel (4) in Anlage ist mit dem Sitz (10) des Ventilkörpers (2), wobei der Ventilkörper (2) im Bereich des Sitzes (10) und/oder die Ventilnadel (4) in dem Sitzbereich (9) mit einer Schichtenfolge aus mindestens einer ersten Haftschicht (14), einer ersten Verschleißschutzschicht (16), einer zweiten Haftschicht (18) und einer zweiten Verschleißschutzschicht (20) versehen ist.
Ventil nach Anspruch 7, bei dem die Schichtenfolge der ersten Haftschicht (14) und der ersten Verschleißschutzschicht (16) mehrfach wiederholt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem ein allmählicher Übergang von der jeweiligen Haftschicht (14, 18, 22) zu der nächsten Verschleißschutzschicht (16, 20, 24) und umgekehrt erfolgt.
Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Verschleißschutzschicht (16, 20, 24) eine diamantartige Kohlenstoffschicht ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Haftschicht (14, 18, 22) eine Metallschicht ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Haftschicht reaktive Verbindungen umfasst.