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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Düsenkörpers für ein Einspritzventil. Ferner
betrifft die Erfindung das Einspritzventil.
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Das
Einspritzventil kann insbesondere zum Zuführen von Kraftstoff in den
Brennraum einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
welche Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist,
die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu
senken. Die Bildung von Ruß ist
stark abhängig
von der Aufbereitung des Luftkraftstoffgemisches in einem Brennraum
der Brennkraftmaschine. Zunehmend wird Kraftstoff unter sehr hohem
Druck zugemessen, um eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung
zu erreichen. Im Falle von Dieselbrennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis
zu 2500 bar. Derart hohe Drücke stellen
hohe Anforderungen an das Einspritzventil und insbesondere an den
Düsenkörper.
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Aus
der
DE 100 13 198
A1 ist ein Injektor für eine
Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Injektor umfasst
eine Kraftstoffdüse
mit einer Düsenöffnung zur
Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine.
In dem Injektor ist beweglich eine Düsennadel angeordnet zur Freigabe
oder Absperrung der Düsenöffnung in
Abhängigkeit
von der Stellung der Düsennadel.
Ferner umfasst der Injektor eine Gleitführung zur beweglichen Lagerung
der Düsennadel
und/oder eines Steuerelements zum Antrieb der Düsennadel. Die Kontaktflächen der
Gleitführung
und/oder der Düsennadel
und/oder des Steuerelements sind mindestens teilweise mit einer
Oberflächenbeschichtung
versehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines
Düsenkörpers für ein Einspritzventil
und ein Einspritzventil zu schaffen, das einfach ein präzises Herstellen
des Düsenkörpers bzw.
des Einspritzventils ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Herstellen eines
Düsenkörpers für ein Einspritzventil
und das Einspritzventil. Der Düsenkörper umfasst
mindestens eine hochdruckführende Ausnehmung.
Im Wesentlichen wird die gesamte Wandung der hochdruckführenden
Ausnehmung des ungehärteten
Düsenkörpers mit
einer Schicht beschichtet. Die Schicht weist eine größere Härte auf als
der Düsenkörper. Im
Wesentlichen die gesamte Wandung der hochdruckführenden Ausnehmung zu beschichten
heißt
in diesem Zusammenhang, dass ein Großteil der hochdruckführenden
Ausnehmung beschichtet wird. Eine Ausnahme kann hier beispielsweise
ein kleiner Bereich sein, der zur Aufnahme eines anderen Bauteils,
beispielsweise einer Dichtung oder eines Befestigungsmittels, von
dem Beschichten ausgeschlossen wird.
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Dies
ermöglicht
einfach eine harte Oberfläche
der Wandung der hochdruckführenden
Ausnehmung. Die harte Oberfläche
schützt
den Düsenkörper vor
Korrosion und vor Verschleiß,
beispielsweise hervorgerufen durch den Kontakt einer Düsennadel, die
in dem Düsenkörper angeordnet
sein kann, mit der Wandung des Düsenkörpers und/oder
durch die schnell wechselnden starken Druckunterschiede des Kraftstoffs
in dem Düsenkörper und
insbesondere in der hochdruckführenden
Ausnehmung.
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Ferner
bleibt das im Vergleich zu der harten Schicht weiche Material des
Düsenkörpers unter
der Schicht weich. So können
Stoßwellen
von dem Düsenkörper absorbiert
werden, die beim Betrieb des Einspritzventils durch die schnell
wechselnden Druckverhältnisse
hervorgerufenen werden können.
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Das
Beschichten der gesamten hochdruckführenden Ausnehmung ermöglicht,
auf das bei herkömmlichen
Düsenkörpern obligatorische
Härten
des Düsenkörpers und
das dadurch obligatorische Nachbearbeiten des Düsenkörpers und der hochdruckführenden
Ausnehmung zu verzichten.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die gesamte
Oberfläche
des Düsenkörpers mit
der Schicht beschichtet. Das Beschichten des ganzen Düsenkörpers ist
einfach möglich
und schützt
den ganzen Düsenkörper vor
Korrosion und Verschleiß.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das
Schichtmaterial vor dem Beschichten in einer Lösung gelöst. Dies ermöglicht einfach
ein gleichmäßiges Beschichten
des Düsenkörpers.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der
gesamte Düsenkörper in
die Lösung
getaucht und danach getrocknet. In Verbindung mit dem Beschichten
des ganzen Düsenkörpers ist
dies besonders einfach.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die
Schicht auf dem Düsenkörper in
einem Temperaturbereich von 400° bis
500° Celsius
getrocknet. Dies ermöglicht
eine glasartige Schicht mit hoher Temperaturbeständigkeit und Härte.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden
die Eigenschaften der Schicht vorgegeben durch Einbringen von Partikeln in
die Lösung.
Die Partikel können
beispielsweise Platin, Palladium, Titan, ZrO2 und/oder
Metalloxide umfassen. Die Größenordnung
der Partikel kann beispielsweise im Mikro- und/oder Nanometerbereich liegen.
Dadurch können
Eigenschaften der Schicht wie z.B. der Reibungskoeffizient, die
Härte,
die Temperaturbeständigkeit
und/oder reaktive Eigenschaften der Schicht vorgegeben werden. Die
reaktiven Eigenschaften können
beispielsweise einen katalytischen Effekt umfassen. Dieser kann
beispielsweise zu einem schnellen Trocknen der Schicht auf dem Düsenkörper und/oder
einer verbesserten Selbstreinigung der Schicht beitragen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die
Schicht im Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren auf dem Düsenkörper aufgebracht.
Dies ermöglicht
die Schicht mit einer sehr geringen Schichtdicke auszubilden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein
Schichtmaterial verwendet, das thermisch belastbar ist. So kann
die Schicht den hohen Anforderungen aufgrund der hohen Temperaturen
bei der Verbrennung während
des Betriebs der Brennkraftmaschine gerecht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein
Schichtmaterial verwendet, das ein Metalloxid umfasst. Dies ermöglicht einfach das
Herstellen der Schicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein
Schichtmaterial verwendet, das ein Metallalkoxid umfasst. Der organische
Anteil des Metallalkoxids ermöglicht
größere Flexibilität bei der
Vorgabe der Schichteigenschaften.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die
Schicht dünner
als 1 μm.
Dies ermöglicht
das Verwenden eines Designs für
den Düsenkörper, das
höchstens
geringer Modifikationen bedarf.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Düsenkörper für ein Einspritzventil,
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2 ein
Ablaufdiagramm zum Herstellen des Düsenkörpers.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Düsenbaugruppe 2 für ein Einspritzventil
umfasst einen Düsenkörper 4 mit
einer hochdruckführenden
Ausnehmung 6, in der eine Düsennadel 8 axial beweglich
angeordnet ist (1). Das Einspritzventil ist
beispielsweise geeignet zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum einer Brennkraft maschine. In der Regel ist das Einspritzventil mehrstückig ausgebildet.
Die Düsenbaugruppe 2 und insbesondere
der Düsenkörper 4 bilden
das axiale Endstück
des Einspritzventils, das dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandt
ist.
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In
dem Düsenkörper 4 ist
eine Hochdruckzuführung 10 ausgebildet. Über die
Hochdruckzuführung 10 kann
Kraftstoff der Ausnehmung 6 des Düsenkörpers 4 zugeführt werden.
Bevorzugt ist die Hochdruckzuführung 10 mit
einem Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Systems koppelbar, in
dem während
Betriebszuständen,
in denen zumindest zeitweise ein Zumessen von Fluid erfolgen soll,
ein Betriebsdruck herrscht, beispielsweise zwischen 1000 und 2500
bar. Der Betriebsdruck kann sich jedoch insbesondere im Falle von
Benzin als Fluid in einem Bereich von beispielsweise 80 bis 250
bar bewegen. Der Betriebsdruck muss nicht konstant sein. Er kann
beispielsweise abhängen
von Lastgrößen einer
Brennkraftmaschine, in der die Düsenbaugruppe 2 anordenbar
ist. Außerhalb
der Betriebszustände,
in denen zumindest zeitweise ein Zumessen von Fluid erfolgen soll,
die dann als Ruhebetriebszustand bezeichnet sind, sinkt der Druck
des Fluids auf einen Ruhedruck ab, der beispielsweise zwischen 1
und 10 bar betragen kann.
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Alternativ
ist die Hochdruckzuführung 10 mit einer
nicht dargestellten Hochdruckvorrichtung hydraulisch koppelbar,
die ausgebildet ist zum Erzeugen des für ein Zumessen von Fluid notwendigen
Betriebsdrucks lediglich in einem engen Zeitfenster um das beabsichtigte
Zumessen des Fluids. Derartige Hochdruckvorrichtungen finden beispielsweise
Einsatz im Zusammenhang mit Pumpe-Düse-Vorrichtungen, bei so genannten
Amplified Common-Rail-Vorrichtungen und bei Verteilerpumpen.
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Die
Düsenbaugruppe 2,
die den Düsenkörper 4 und
die Düsennadel 8 umfasst,
kann Bestandteil sein der Pumpe-Düse-Vorrichtung des Amplified Common Rails
oder auch der Verteilerpumpe. Sie kann jedoch auch Bestandteil sein
eines Common-Rail-Systems.
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Der
Düsenkörper 4 kann
alternativ auch mehrstückig
ausgebildet sein. Der Düsenkörper 4 kann
beispielsweise aus mehreren Platten gebildet sein und/oder einen
Nadelführungskörper umfassen. Die
Düsennadel 8 sitzt
in einer Schließposition
der Düsennadel 8 mit
einer Nadelspitze 12 in einem Sitzbereich 14 auf
der Wandung der hochdruckführenden
Ausnehmung 6 auf. Der Düsenkörper 4 bildet
in diesem Bereich eine Düsenkuppe 16.
Mindestens ein bevorzugt mehrere Einspritzlöcher 17 durchdringen die
Düsenkuppe 16 von
Innen nach Außen.
In der Schließposition
unterbindet die Düsennadel 8 einen Kraftstofffluss
durch die Einspritzlöcher 17 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine. Außerhalb der Schließposition
gibt die Düsennadel 8 den
Kraftstofffluss durch die Einspritzlöcher 17 frei.
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Der
Düsenkörper 4 muss
unterschiedlichen hohen Anforderungen gerecht werden. Der Düsenkörper 4 wird
in dem Bereich, in dem die Düsennadel 8 geführt ist,
stark auf Reibung beansprucht. In dem Sitzbereich 14 wird
der Düsenkörper 4 ebenfalls
stark beansprucht. Die Dauer, während
der ein Zumessen von Kraftstoff erfolgt, kann beispielsweise im
Millisekundenbereich liegen. Dies trägt dazu bei, dass beim Schließen der
Düsennadel 8 große Kräfte auf
den Düsenkörper 4 in
dem Sitzbereich 14 übertragen werden.
In eingebautem Zustand des Einspritzventils ragt die Düsenkuppe 16 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine. Dort ist sie während des
Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzt. Eine weitere Belastung sind
die während des
Betriebs auftretenden Stoßwellen.
Diese werden hervorgerufen von den schnell und stark schwankenden
Druckzuständen
beispielsweise in dem Düsenkörper 4.
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Es
ist bekannt derartige Düsenkörper 4 aus einem
Stahlrohling mittels eines Drehwerkzeugs auszubilden. Die hochdruckführende Ausnehmung 6 kann
in dem Stahlrohling mit einem Bohrwerkzeug ausgebildet werden. Das
Drehen des Düsenkörpers 4 trägt zu einem
sehr präzisen
und kostengünstigen Herstellen
des Düsenkörpers bei.
Das Bearbeiten des Düsenkörpers 4 mit
dem Drehwerkzeug und/oder dem Bohrwerkzeug kann aber nur dann kostengünstig erfolgen,
wenn der Düsenkörper 4 relativ
weich ist, beispielsweise aus ungehärtetem Stahl. Der fertige Düsenkörper 4 hingegen
muss den hohen Anforderungen gerecht werden. Daher ist es bekannt
den bearbeiteten Düsenkörper 4 zu
härten. Das
Härten
kann beispielsweise durch Vakuumaufkohlen oder Granulataufkohlen
erfolgen. Ein Nachteil beim Härten
kann sein, dass der gehärtete
Düsenkörper 4 spröde ist.
Ein weiterer Nachteil des Härtens ist,
dass der zunächst
präzise
ausgebildete Düsenkörper 4 verformt
wird. Dadurch wird ein wesentlicher Ausschuss an Düsenkörpern 4 produziert
und/oder es ist ein aufgrund der Härte teures Nachbearbeiten des
Düsenkörpers 4 nötig.
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Anstatt
den Düsenkörper 4 zu
härten,
wird vorgeschlagen, zumindest die hochdruckführende Ausnehmung 6 und/oder
die Hochdruckzuführung 10 des
Düsenkörpers beispielsweise
im Sol-Gel-Verfahren
mit einer harten Schicht 18 zu beschichten. Je nachdem
wie das Sol-Gel-Verfahren durchgeführt wird, kann es vorteilhaft
sein, den gesamten Düsenkörper 4 zu
beschichten. Die Schicht 18 bildet eine harte Oberfläche auf
dem Düsenkörper 4.
Die Schicht 18 schützt
den Düsenkörper 4 vor
Stößen oder
Reibung der Düsennadel
und/oder des Kraftstoffs, vor Korrosion und vor den hohen Temperaturen
im Brennraum der Brennkraftmaschine während des Betriebs. Außerdem ermöglicht die
Schicht 18 nicht nur den weichen Kern des Düsenkörpers zu
erhalten sondern den gesamten Düsenkörper weich
zu belassen. Der weiche Düsenkörper ist
sehr gut dazu geeignet, die auftretenden Stoßwellen zu absorbieren.
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Bei
dem Sol-Gel-Verfahren erfolgt die Beschichtung durch Hydrolyse und
Kondensation eines Metallalkoxids. Der Metallanteil des Metallalkoxids kann
beispielsweise Silizium, Titanium oder Aluminium umfassen. Ferner
umfasst das Metallalkoxid zumindest ein organisches Element. Das
organische Element kann die Eigenschaften der Beschichtung signifikant
beeinflussen. Bevorzugt wird ein Siliziumalkoxid verwendet, das
folgende chemische Strukturformel aufweist: Xn-Si-(OR)4-n
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Dabei
ist X repräsentativ
für das
organische Element. R repräsentiert
eine Alkyl-Gruppe, beispielsweise Methyl oder Ethyl, oder eine Aryl-Gruppe,
beispielsweise Phenyl.
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In
einer Steuervorrichtung wird zum Herstellen des Düsenkörpers 4 ein
Programm gestartet, das Schritte S1 bis S7 abarbeitet.
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Das
Programm wird in einem Schritt S1 gestartet. Bevorzugt wird das
Programm durch das Schließen
eines Kontakts gestartet.
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In
einem Schritt S2 wird zunächst
das Metallalkoxid in einer flüssigen
Lösung
gelöst.
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In
einem Schritt S3 werden der Lösung
vorzugsweise nano- bzw. mikroskalige Partikel beigefügt, durch
die die Eigenschaften der Lösung und/oder
der späteren
Schicht 18 verändert
werden. Dazu zählen
beispielsweise die Abriebsbeständigkeit,
die Korrosionsbeständigkeit,
der Selbstreinigungseffekt oder das Hervorrufen eines katalytischen Effekts,
beispielsweise beim Trocknen des beschichteten Düsenkörpers 4.
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In
einem Schritt S4 wird der Düsenkörper 4 von
einem Greifarm aufgenommen.
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In
einem Schritt S5 wird der ungehärtete
Düsenkörper 4 vorzugsweise
ganz in die Lösung
getaucht. Das Eintauchen des Düsenkörpers 4 trägt zu einem
homogenen Beschichten des Düsenkörpers 4 bei.
Insbesondere schlecht zugängliche
Bereiche des Düsenkörpers 4 können so
einfach beschichtet werden, beispielsweise die Innenseite der Düsenkuppe 16 und/oder
Ecken in der hochdruckführenden Ausnehmung 6 des
Düsenkörpers 4 und/oder
der Hochdruckzuführung 10.
Das Beschichten des Düsenkörpers 4 mit
dem gelösten
Metallalkoxid kann auch über
andere konventionelle nasschemische Verfahren erfolgen. Dazu gehören Besprühen, Fluten,
Rollen, oder Bestreichen des Düsenkörpers 4.
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In
einem Schritt S6 wird der Düsenkörper 4 aus
der Lösung
genommen und die Schicht 18 thermisch ausgehärtet. Bevorzugt
erfolgt dies in einem Temperaturbereich zwischen 400 und 500° Celsius. Dies
führt dazu,
dass die Schicht 18 glasartig wird. Dies trägt zu der
Härte und
temperaturbeständigkeit der
Schicht 18 bei. Vorteilhafterweise ist die resultierende
Schichtdicke kleiner als ein Mikrometer.
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In
einem Schritt S7 wird der Düsenkörper 4 aus
dem Greifarm entfernt und das Programm beendet. Der ungehärtete beschichtete
Düsenkörper 4 kann
dann auch ohne weitere Bearbeitung für die Montage des Einspritzventils
verwendet werden.
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Alternativ
kann die Schicht 18 im Chemical Vapor Deposition-Verfahren, im Folgenden
CVD-Verfahren genannt, auf den Düsenkörper 4 aufgebracht werden.
Dabei wird der Düsenkörper 4 in
einen Behälter
mit sehr niedrigem Druck oder näherungsweise
Vakuum gebracht, in dem dann das Schichtmaterial in der Nähe des Düsenkörpers 4 verdampft
wird und sich auf der Oberfläche
des Düsenkörpers 4 niederschlägt. Das
zu verdampfende Material kann beispielsweise eine reaktive Silanverbindung
sein, beispielsweise Hexamethyldisiloxan.