DE102005020365A1

DE102005020365A1 - Valve, in particular fuel injection valve

Info

Publication number: DE102005020365A1
Application number: DE200510020365
Authority: DE
Inventors: Werner Teschner; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-11-09
Also published as: EP1880101A1; CN101171421A; WO2006117266A1; EP1880101B1

Abstract

Ventil, vorzugsweise Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (1) mit einem darin angeordneten, beweglichen Ventilelement (5), dessen Oberfläche zumindest eine mit einer verschleißmindernden Beschichtung (40) versehene Teilfläche (7; 15) aufweist. Die beschichtete Teilfläche (7; 15) ist im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt, wobei innerhalb und/oder am Rand der beschichteten Teilfläche (7; 15) eine Kante (36; 38; 39) ausgebildet ist, die abgerundet ausgeführt ist (Figur 2).Valve, preferably a fuel injection valve for internal combustion engines, having a housing (1) with a movable valve element (5) arranged therein, the surface of which has at least one partial surface (7; 15) provided with a wear-reducing coating (40). The coated partial surface (7; 15) is subjected to repeated sliding or impact loads during operation of the valve, wherein an edge (36; 38; 39) is formed inside and / or at the edge of the coated partial surface (7; is (Figure 2).

Description

Die Erfindung geht von einem Ventil aus, wie es bspw. in der Offenlegungsschrift DE 100 38 954 A1 gezeigt ist. Ein solches Ventil, das vorzugsweise als Kraftstoffeinspritzventil ausgebildet ist, weist ein Gehäuse auf, in dem ein Ventilelement beweglich angeordnet ist. Das Ventilelement weist verschiedene Teilflächen auf, die im Betrieb des Ventils wiederholten Gleit- oder Aufprallbelastungen ausgesetzt sind. Zumindest einige dieser Teilflächen sind mit einer verschleißmindernden Beschichtung versehen, die den Verschleiß, der durch die Gleit- oder Aufprallbewegung entsteht, mindert und so die Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils verbessert.The invention is based on a valve, as, for example, in the published patent application DE 100 38 954 A1 is shown. Such a valve, which is preferably designed as a fuel injection valve, has a housing in which a valve element is movably arranged. The valve member has various faces that are subject to repeated sliding or impact loading during operation of the valve. At least some of these sub-surfaces are provided with a wear-reducing coating which reduces the wear caused by the sliding or impact movement and thus improves the life of the fuel injection valve.

Nähere Untersuchungen dieser Teilflächen haben ergeben, dass es zu Ablösungen dieser Beschichtung kommen kann. Die Ablösung der Beschichtung beginnt vorzugsweise dort, wo am Rand der beschichten Teilfläche oder innerhalb der beschichteten Teilfläche eine scharfe Kante ausgebildet ist. Ein einmal begonnener Ablösungsprozess der Beschichtung setzt sich im Laufe der Lebensdauer des Ventils fort, bis die verschleißmindernde Wirkung stark beeinträchtigt ist, was die Lebensdauer des Ventils beträchtlich verkürzen kann.Further investigations have these faces that result in detachments this coating can come. The detachment of the coating begins Preferably, where at the edge of the coated part surface or within the coated part surface a sharp edge is formed. A once initiated separation process The coating continues over the life of the valve until the wear-reducing Effect severely impaired is what can significantly shorten the life of the valve.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungen von Ventilen bekannt, insbesondere von Kraftstoffeinspritzventilen. So zeigt die DE 101 33 433 Beschichtungen, insbesondere auch diamantartige Beschichtungen, sowohl des Ventilelements als auch der mit dem Ventilelement zusammenwirkenden Flächen im Gehäuse, also des Ventilsitzes. Auch aus der Schrift WO 01/61182 ist ein Einspritzventil bekannt, bei dem das Ventilelement eine Beschichtung aufweist, die verschleißmindernd wirkt. Die Beschichtung umfasst hier die gesamte Oberfläche des Ventilelements einschließlich der Ventildichtfläche, die mit dem Ventilsitz zusammenwirkt.Various coatings of valves are known from the prior art, in particular of fuel injection valves. That's how it shows DE 101 33 433 Coatings, in particular diamond-like coatings, both of the valve element and the cooperating with the valve element surfaces in the housing, so the valve seat. Also from the document WO 01/61182 an injection valve is known in which the valve element has a coating which acts to reduce wear. The coating here comprises the entire surface of the valve member including the valve sealing surface which cooperates with the valve seat.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Ventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Lebensdauer gegenüber einem herkömmlich beschichteten Ventilelement verlängert ist und dass die Beschichtung auf den entsprechend mechanisch beanspruchten Teilflächen des Ventilelements über die gesamte Lebensdauer des Ventils erhalten bleibt. Hierzu sind Kanten, die innerhalb der beschichteten Teilflächen oder am Rand der beschichteten Teilflächen ausgebildet sind, gerundet ausgebildet. Dadurch kann das Abplatzen der Beschichtung in diesem Bereich zuverlässig verhindert werden, was die Beschichtung insgesamt zuverlässig auf den beschichteten Teilflächen haften lässt.The inventive valve indicates in contrast the advantage that the life compared to a conventionally coated Extended valve element is and that the coating on the corresponding mechanically stressed subareas of the valve element over the entire life of the valve is maintained. These are edges, within the coated sub-areas or at the edge of the coated area subareas are formed rounded. This can cause the chipping The coating in this area can be reliably prevented from happening the coating overall reliable on the coated subareas adhere to it.

Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung möglich. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die beschichtete Teilfläche als im wesentlichen konische Ventildichtfläche ausgebildet, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der im Gehäuse ausgebildet ist. Das Ventilelement bewegt sich in seiner Längsrichtung, so dass es zwischen der Ventildichtfläche und dem Ventilsitz zu einer Aufprallbelastung kommt, wenn der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen durch die Längsbewegung des Ventilelements gesteuert wird. An der Ventildichtfläche ist eine Ringnut ausgebildet, die am Übergang zur Ventildichtfläche eine erste und eine zweite Übergangskante aufweist. In vorteilhafter Weise sind diese Übergangskanten gerundet ausgebildet, sodass die verschleißmindernde Beschichtung auf der gesamten Ventildichtfläche und insbesondere im Bereich der Übergangskanten zuverlässig haftet.By the dependent ones claims are advantageous embodiments of the subject of the invention possible. In a first advantageous embodiment, the coated subarea designed as a substantially conical valve sealing surface, which with a Valve seat cooperates, which is formed in the housing. The valve element moves in its longitudinal direction, making it between the valve sealing surface and the valve seat to one Impact load comes when the fuel flow to the injection ports through the longitudinal movement the valve element is controlled. At the valve sealing surface is a Ring groove formed at the transition to the valve sealing surface having a first and a second transition edge. Advantageously, these transition edges are rounded, so that the wear-reducing Coating on the entire valve sealing surface and in particular in the region of the transition edges reliable liable.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die beschichtete Teilfläche als zylindrischer Führungsabschnitt ausgebildet, mit dem das Ventilelement in einer entsprechenden Bohrung im Gehäuse geführt ist. Die Kanten, die den Führungsabschnitt des Ventilelements begrenzen, sind hier ebenfalls gerundet ausgebildet, um die Haftung der verschleißmindernden Beschichtung zu gewährleisten.In a further advantageous embodiment is the coated subarea as a cylindrical guide section formed, with which the valve element in a corresponding bore is guided in the housing. The edges that make up the guide section of the Limit valve element, are also rounded here, to the adhesion of the wear-reducing To ensure coating.

Die Verrundung der Kanten geschieht vorzugsweise mit einem Radius, der im Bereich von 10 μm bis 250 μm liegt. Hierbei ist ein Bereich von 100 μm bis 150 μm besonders vorteilhaft, insbesondere im Bereich der Ventildichtfläche eines Ventilelements.The Rounding of the edges is preferably done with a radius that in the range of 10 microns up to 250 μm lies. Here, a range of 100 microns to 150 microns is particularly advantageous, especially in Area of the valve sealing surface a valve element.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.Further Advantages and advantageous embodiments are the description and the drawing can be removed.

Zeichnungdrawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils dargestellt. Es zeigtIn The drawing is an embodiment of a Valve according to the invention shown. It shows

1 einen Schnitt durch ein Ventil, das hier als Kraftstoffeinspritzventil dargestellt ist, und 1 a section through a valve, which is shown here as a fuel injection valve, and

2 eine vergrößerte Darstellung des mit II bezeichneten Bereichs von 1. 2 an enlarged view of designated II area of 1 ,

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Ventil, das hier als Kraftstoffeinspritzventil dargestellt ist, im Längsschnitt dargestellt. Das Ventil weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 wird an ihrem brennraumseitigen Ende von einem im wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt, von dem mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen, die in Einbaulage des Ventils in einen Brennraum der entsprechenden Brennkraftmaschine münden. In der Bohrung 3 ist ein kolbenförmiges Ventilelement 5 angeordnet, die einen Führungsabschnitt 15 aufweist, mit der das Ventilelement 5 in einem entsprechenden Bohrungsabschnitt 23 der Bohrung 3 geführt ist. Das Ventilelement 5 verjüngt sich ausgehend vom Führungsabschnitt 15 unter Bildung einer Druckschulter 13 und geht in einen Schaftbereich 25 über, der sich bis zu einer im wesentlichen konischen Ventildichtfläche 7 erstreckt. Die Ventildichtfläche 7 bildet eine Teilfläche des Ventilelements 5, mit der das Ventilelement 5 mit dem konischen Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Auf Höhe der Druckschulter 13 ist die Bohrung 3 radial erweitert, so dass ein Druckraum 19 gebildet wird, der sich das Ventilelement 5 umgebend bis zum Ventilsitz 9 fortsetzt. In die radiale Erweiterung des Druckraums 19 mündet ein im Gehäuse 1 verlaufender Zulaufkanal 27, über den der Druckraum 19 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist.In 1 is a valve according to the invention, which is shown here as a fuel injection valve, shown in longitudinal section. The valve has a housing 1 in which a hole 3 is trained. The hole 3 is at its combustion chamber end of a substantially conical valve seat 9 limited, of which several injection ports 11 go out, which open in installation position of the valve in a combustion chamber of the corresponding internal combustion engine. In the hole 3 is a piston-shaped valve element 5 arranged, which is a guide section 15 having, with the valve element 5 in a corresponding bore section 23 the bore 3 is guided. The valve element 5 tapers off from the guide section 15 forming a pressure shoulder 13 and goes into a shaft area 25 over, extending to a substantially conical valve sealing surface 7 extends. The valve sealing surface 7 forms a partial surface of the valve element 5 with which the valve element 5 with the conical valve seat 9 interacts. At the level of the pressure shoulder 13 is the hole 3 radially expanded, leaving a pressure chamber 19 is formed, which is the valve element 5 surrounding to the valve seat 9 continues. In the radial extension of the pressure chamber 19 flows into the housing 1 extending inlet channel 27 over which the pressure room 19 can be filled with fuel under high pressure.

Das Ventilelement 5 wird an seinem ventilsitzabgewandten Ende von einer Schließkraft beaufschlagt, die bspw. hydraulisch oder durch ein Federelement erzeugt werden kann, wobei die entsprechenden Vorrichtungen in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Wird Kraftstoff in den Druckraum 19 unter Druck eingeleitet, so ergibt sich eine hydraulische Kraft auf die Druckschulter 13 und auf Teile der Ventildichtfläche 7, wodurch eine axiale Öffnungskraft auf das Ventilelement 5 ausgeübt wird, welche vom Ventilsitz 9 weggerichtet und damit der Schließkraft entgegengerichtet ist. Je nach Verhältnis von Schließkraft und hydraulischer Öffnungskraft bewegt sich das Ventilelement 5 vom Ventilsitz 9 weg und gibt die Einspritzöffnungen 11 frei oder sie bewegt sich in Anlage an den Ventilsitz 9 und verschließt so die Einspritzöffnungen 11 gegenüber dem Druckraum 19. Ob die Steuerung letztendlich durch die Schließkraft oder durch einen veränderlichen Druck im Druckraum 19 erfolgt, hängt vom Typ des Ventils ab. Ventile dieser Art kommen vorzugsweise in selbstzündenden Brennkraftmaschinen zum Einsatz.The valve element 5 is acted upon at its valve seat facing away from the end of a closing force, for example, can be generated hydraulically or by a spring element, wherein the corresponding devices are not shown in the drawing. Will fuel in the pressure chamber 19 initiated under pressure, so there is a hydraulic force on the pressure shoulder 13 and on parts of the valve sealing surface 7 , whereby an axial opening force on the valve element 5 is exercised, which from the valve seat 9 directed away and thus the closing force is opposite. Depending on the ratio of closing force and hydraulic opening force, the valve element moves 5 from the valve seat 9 away and give the injection openings 11 free or it moves into contact with the valve seat 9 and thus closes the injection openings 11 opposite the pressure chamber 19 , Whether the control ultimately by the closing force or by a variable pressure in the pressure chamber 19 depends on the type of valve. Valves of this type are preferably used in self-igniting internal combustion engines.

In 2 ist der mit II bezeichneten Ausschnitt von 1 vergrößert dargestellt. Die Ventildichtfläche 7 weist eine erste Konusfläche 32 und eine zweite Konusfläche 34 auf, die durch eine Ringnut 30 voneinander getrennt sind, wobei die Ringnut 30 eine Breite d aufweist. Am Übergang der ersten Konusfläche 32 zur Ringnut 30 ist eine erste Übergangskante 36 ausgebildet, und am Übergang der Ringnut 30 zur zweiten Konusfläche 34 eine zweite Übergangskante 38. Der Öffnungswinkel der ersten Konusfläche 32 ist hierbei kleiner als der Öffnungswinkel des konischen Ventilsitzes 9, während der Öffnungswinkel der zweiten Konusfläche 34 größer ist als der des Ventilsitzes 9. Durch diese Ausgestaltung der Konusflächen 32, 34 kommt das Ventilelement 5 in seiner Schließstellung mit der ersten Übergangskante 36 am Ventilsitz 9 zur Anlage. Die erste Übergangskante 36 bildet damit eine Dichtkante, an der eine hohe Flächenpressung herrscht, damit die Einspritzöffnungen 11 auch bei hohem Druck im Druckraum 19 sicher abgedichtet werden.In 2 is the section of II 1 shown enlarged. The valve sealing surface 7 has a first cone surface 32 and a second cone surface 34 on, passing through an annular groove 30 are separated from each other, wherein the annular groove 30 has a width d. At the transition of the first conical surface 32 to the annular groove 30 is a first transitional edge 36 trained, and at the transition of the annular groove 30 to the second cone surface 34 a second transitional edge 38 , The opening angle of the first cone surface 32 is smaller than the opening angle of the conical valve seat 9 during the opening angle of the second cone surface 34 larger than that of the valve seat 9 , By this configuration of the conical surfaces 32 . 34 comes the valve element 5 in its closed position with the first transitional edge 36 at the valve seat 9 to the plant. The first transitional edge 36 thus forms a sealing edge, at which there is a high surface pressure, so that the injection openings 11 even at high pressure in the pressure chamber 19 be securely sealed.

Die Ventildichtfläche 7 ist mit einer Beschichtung 40 versehen, die eine verschleißmindernde Wirkung hat und die z.B. als diamantartige Schicht ausgebildet ist, also eine sogenannte Diamond-Like-Carbon-Schicht (DLC-Schicht). In 2 ist das Ventilelement 5 in der linken Bildhälfte teilweise geschnitten dargestellt, so dass die Beschichtung 40 sichtbar wird. Die Beschichtung 40 ist hier der Deutlichkeit halber stark überhöht dargestellt: Die Dicke beträgt in der Regel einige Zehntel bis hin zu wenigen Mikrometern.The valve sealing surface 7 is with a coating 40 provided, which has a wear-reducing effect and, for example, is formed as a diamond-like layer, that is, a so-called diamond-like carbon layer (DLC layer). In 2 is the valve element 5 partially cut in the left half of the picture, so that the coating 40 becomes visible. The coating 40 is here greatly exaggerated for the sake of clarity: the thickness is usually a few tenths down to a few microns.

Die erste Übergangskante 36 und die zweite Übergangskante 38 sind jeweils gerundet ausgebildet, bspw. mit einem Radius R, wie es in 2 angedeutet ist. Der Rundungsradius R liegt hierbei im Bereich von 10 μm bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 100 μm bis 150 μm. Die Breite d der Ringnut 30 ist hierbei vorzugsweise im Bereich von etwa 500 μm, sodass ein weicher, stetiger Übergang von der ersten Konusfläche 32 zur Ringnut 30 und von dieser zur zweiten Konusflächen 34 gegeben ist.The first transitional edge 36 and the second transitional edge 38 are each formed rounded, for example, with a radius R, as in 2 is indicated. The radius of curvature R is in the range of 10 microns to 250 microns, preferably in the range of 100 microns to 150 microns. The width d of the annular groove 30 is preferably in the range of about 500 microns, so that a soft, steady transition from the first cone surface 32 to the annular groove 30 and from this to the second cone surfaces 34 given is.

Es kann auch vorgesehen sein, eine dritte Übergangskante 39, die am Übergang der ersten Konusfläche 32 zum Schaftbereich 25 des Ventilelements 5 ausgebildet ist, ebenfalls mit einem Radius R zu runden. Es ist jedoch auch eine andere Rundung möglich, die nicht genau einem Kreissegment mit Radius R entspricht, sondern im Querschnitt eine andere Form aufweist, wobei in jedem Fall wichtig ist, dass eine scharfe Kante vermieden wird.It can also be provided, a third transition edge 39 at the junction of the first cone surface 32 to the shaft area 25 of the valve element 5 is designed to also round with a radius R. However, it is also possible a different rounding, which does not exactly correspond to a circle segment with radius R, but in cross section has a different shape, in which case it is important that a sharp edge is avoided.

In gleicher Weise ist es auch möglich, zur Minderung der Reibung zwischen dem Führungsabschnitt 15 des Ventilelements 5 und dem Bohrungsabschnitt 23 eine verschleißmindernde Beschichtung 40 auf die Teilfläche des Ventilelements 5 aufzubringen, die den Führungsabschnitt 15 bildet. Auch hier ist ein Rundungsradius R am Übergang des Führungsabschnitts 15 zur Druckschulter 13 vorgesehen, sodass sich die Beschichtung 40 in diesem Bereich nicht löst.In the same way it is also possible to reduce the friction between the guide section 15 of the valve element 5 and the bore section 23 a wear-reducing coating 40 on the partial surface of the valve element 5 to apply the leadership section 15 forms. Again, a rounding radius R at the transition of the guide section 15 to the pressure shoulder 13 provided, so that the coating 40 does not dissolve in this area.

Es ist auch möglich, das Ventilelement 5 über seine gesamte Oberfläche mit einer verschleißmindernden Beschichtung 40 zu versehen, weil es prozesstechnisch günstiger sein kann, das gesamte Ventilelement 5 mit einer DLC-Schicht zu versehen und nicht nur Teilflächen davon. Der Rundungsradius R oder die sonstige Rundungsform muss nicht an allen Kanten dieselbe sein. Es ist auch möglich, verschiedene Rundungsradien vorzusehen, die an die Gegebenheiten jeweils angepasst sind. Neben der Beschichtung eines Ventilelements 5, das hier die Form einer kolbenförmigen Ventilnadel aufweist, kann die Beschichtung auch auf jedes andere bewegliche Teil eines Ventils aufgebracht werden, wobei auch hier die Kanten entsprechend gerundet sind.It is also possible to use the valve element 5 over its entire surface with a wear-reducing coating 40 to provide, because it process technology may be cheaper, the entire valve element 5 to be provided with a DLC layer and not just patches thereof. The rounding radius R or the other rounding form does not have to be the same on all edges. It is also possible to provide different rounding radii, which are adapted to the circumstances in each case. In addition to the coating of a valve element 5 , which in this case has the shape of a piston-shaped valve needle, the coating can also be applied to any other movable part of a valve, wherein also here the edges are rounded accordingly.

Claims

Valve, preferably fuel injection valve for internal combustion engines, with a housing ( 1 ) with a movable valve element arranged therein ( 5 ) whose surface is at least one with a wear-reducing coating ( 40 ) provided partial area ( 7 ; 15 ), wherein the coated partial surface ( 7 ; 15 ) is subjected to repeated sliding or impact loads during operation of the valve, characterized in that inside and / or at the edge of the coated partial surface ( 7 ; 15 ) an edge ( 36 ; 38 ; 39 ) is formed, which is executed rounded.

Valve according to claim 1, characterized in that the coated partial surface ( 7 ; 15 ) as a substantially conical valve sealing surface ( 7 ) formed on the one valve seat ( 9 ) facing the end of the valve element ( 5 ), wherein the valve element ( 5 ) with the valve seat ( 9 ) and the valve sealing surface ( 7 ) with the wear-reducing coating ( 40 ) is provided.

Valve according to claim 2, characterized in that in the valve sealing surface ( 7 ) an annular groove ( 30 ) formed at the transition to the valve sealing surface ( 7 ) a first transition edge ( 36 ) and a second transition edge ( 38 ), wherein the transition edges ( 36 ; 38 ) are rounded.

Valve according to claim 1, characterized in that the coated partial surface ( 7 ; 15 ) of the valve element ( 5 ) as a cylindrical guide section ( 15 ) is formed, with which the valve element ( 5 ) in a corresponding bore ( 3 ) in the housing ( 1 ) is guided.

Valve according to one of claims 1 to 4, characterized that the rounding is done with a rounding radius (R), in the range of 10 microns up to 250 μm lies.

Valve according to claim 5, characterized in that the radius of curvature (R) is in the range of 100 μm to 150 μm.

Valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coating ( 40 ) is formed as a carbonaceous, diamond-like coating (diamond like carbon, DLC).