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Die Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Steuerventil.
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Stand der Technik
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Steuerventile der vorstehend genannten Art sind insbesondere zur Steuerung einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors einsetzbar, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung des Kraftstoffinjektors freigebbar oder verschließbar ist. Um den Öffnungshub der Düsennadel zu initiieren, öffnet das Steuerventil und bewirkt damit eine Entlastung eines Steuerraums. Mit abfallendem Steuerdruck im Steuerraum hebt die Düsennadel aus ihrem Dichtsitz ab. Die Betätigung des Steuerventils erfolgt über eine ebenfalls im Kraftstoffinjektor aufgenommene Aktoreinheit.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes und in einem Kraftstoffinjektor eingesetztes Steuerventil ist beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt. Zur Aufnahme des Steuerventils weist der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor eine zwischen einer Drosselplatte 9 und einem Haltekörper 11 angeordnete Ventilplatte 3 auf. An die Drosselplatte 9 ist ein Düsenkörper 10 axial angesetzt und mittels einer Spannhülse 12 mit der Drosselplatte 9, der Ventilplatte 3 und dem Haltekörper 11 axial verspannt. In der Ventilplatte 3 ist ein Steuerventilsitz 4 ausgebildet, der mit einer Dichtfläche 5 an einem hubbeweglichen Steuerventilbolzen 1 zusammenwirkt. Der Steuerventilbolzen 1 ist mittels einer Steuerventilfeder 2 gegenüber dem Steuerventilsitz 4 axial vorgespannt und in einer Dichthülse 8 geführt. Die Dichthülse 8 ist an der Drosselplatte 9 abgestützt. Beim Öffnen und Schließen des Steuerventils werden der in der Ventilplatte 3 ausgebildete Steuerventilsitz 4 und die Dichtfläche 5 des Steuerventilbolzens 1 einer starken dynamischen Beanspruchung ausgesetzt, die zum Verschleiß führt. Über die Lebensdauer des Steuerventils gleichen sich damit die dichtend zusammenwirkenden Flächen an, was wiederum zu einer Veränderung der Dichtgeometrie im Bereich des Ventilsitzes führt. Eine optimale Einspritzung ist dann nicht mehr gewährleistet. Es gilt demnach Maßnahmen zu treffen, welche einem vorzeitigem Verschleiß entgegen wirken.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines gattungsgemäßen Steuerventils zu erhöhen. Insbesondere soll ein Steuerventil bereitgestellt werden, das im Bereich des Ventilsitzes einen verringerten Verschleiß aufweist, um beispielsweise in der Anwendung als Steuerventil für einen Kraftstoffinjektor eine optimale Einspritzung über eine lange Zeitdauer zu gewährleisten.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Steuerventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 5 angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Steuerventil umfasst einen hubbeweglichen Steuerventilbolzen, der mittels der Federkraft einer Steuerventilfeder gegenüber einem konisch verlaufenden Steuerventilsitz axial vorgespannt ist, wobei am Steuerventilbolzen eine mit dem Steuerventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche ausgebildet ist, die zur Ausbildung eines Kegel-Kegel-Sitzes oder eines Kugel-Kegel-Sitzes kegelförmig oder teilkugelförmig ist. Erfindungsgemäß weist der in der Ventilplatte ausgebildete Steuerventilsitz und/oder die am Steuerventilbolzen ausgebildete Dichtfläche eine Mikrostrukturierung auf. Die Mikrostrukturierung bildet in der Oberfläche des Ventilsitzes und/oder der Dichtfläche Hohlräume aus, die sich im Betrieb des Steuerventils mit Kraftstoff füllen und somit eine verbesserte Schmierung der dynamisch belasteten Oberflächen bewirken. Zudem führen die mit Kraftstoff gefüllten Hohlräume zu einem verbesserten Dämpfungsverhalten beim Einschlagen des Steuerventilbolzens in den Steuerventilsitz. Denn durch die Kompression des Kraftstoffs beim Einschlagen des Steuerventilbolzens kommt es im Nahbereich der Ventilplatte zu einer Dämpfungseffekt, der ein Abbremsen des Steuerventilbolzens bewirkt. Ferner bleibt auf der strukturierten Oberflächen ein schützender Schmierfilm aus Kraftstoff länger erhalten. Demzufolge kann der Verschleiß im Bereich des Steuerventilsitzes bzw. der am Steuerventilbolzen ausgebildeten Dichtfläche durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikrostrukturierung wirkungsvoll reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Mikrostrukturierung aus mehreren Ringnuten, die vorzugsweise konzentrisch angeordnet sind. Zum Einen lassen sich Ringnuten in einfacher Weise in einer Oberfläche wie beispielsweise der Steuerventilsitzfläche oder der Dichtfläche des Steuerventilbolzens herstellen, zum Beispiel mittels Laserbearbeitung, zum Anderen werden – insbesondere bei einer konzentrischen Anordnung der Ringnuten – Undichtigkeiten im Bereich des Steuerventilsitzes verhindert. Das Einbringen der Ringnuten mittels Laserbearbeitung weist zudem den Vorteil auf, dass eine Nachbearbeitung, beispielsweise zur Beseitigung von Graten, nicht erforderlich ist, da überschüssiges Material direkt verdampft.
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Vorzugsweise besitzen die Ringnuten eine runde oder eckige, weiterhin vorzugsweise eine drei- oder viereckige, beispielsweise trapezförmige, Querschnittsform. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Bereich, in dem eine im Querschnitt runde oder eckige Ringnut in den Steuerventilsitz oder die Dichtfläche übergeht, abgeflacht ausgebildet ist. Das heißt, dass eine Ringnut sich gegenüber liegende seitliche Flanken aufweisen kann, die wenigstens einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt mit unterschiedlichem Neigungswinkel gegenüber der Steuerventilsitzfläche und/oder der Dichtfläche umfassen. Vorzugsweise ist der Abschnitt einer seitlichen Flanke im Bereich des Übergangs flach geneigt, um einen stumpfen Winkel auszubilden. Dadurch wird die Festigkeit des Steuerventilsitzes und/oder des Steuerventilbolzens im Bereich der Dichtfläche erhöht.
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Weiterhin bevorzugt sind die Ringnuten äquidistant angeordnet, wobei vorzugsweise die Achsabstände A der Ringnuten zueinander größer als die Breite B der Ringnuten gewählt ist. Die Ringnuten verringern demnach die Steuerventilsitzfläche und/oder die Dichtfläche nur geringfügig, so dass im Wesentlichen keine Änderung der Flächenpressungsverteilung erfolgt.
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Schließlich wird ein Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil vorgeschlagen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes und in einem Kraftstoffinjektor eingesetztes Steuerventil,
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2 einen vergrößerten Längsschnitt durch das Steuerventil der 1,
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3 einen Teillängsschnitt im Bereich des Steuerventilsitzes des Steuerventils der 1,
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4 einen Teillängsschnitt im Bereich des Steuerventilsitzes eines erfindungsgemäßen Steuerventils,
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5 Ansichten des Steuerventilbolzens des erfindungsgemäßen Steuerventils der 4 und
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6 perspektivische Ansicht des Steuerventilbolzens der 5.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Hinsichtlich der Beschreibung des aus dem Stand der Technik bereits bekannten und in den 1 und 2 dargestellten Steuerventils wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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3 zeigt darüber hinaus einen Teillängsschnitt im Bereich des Steuerventilsitzes des in den 1 und 2 dargestellten bekannten Steuerventils. Dem Teillängsschnitt ist zu entnehmen, dass die Steuerventilsitzfläche 4 einen Öffnungswinkel α besitzt, der vorliegend 126,5° beträgt, und eine Ventilöffnung mit einem Bohrungsdurchmesser D1 besitzt, der vorliegend 1,61 mm beträgt. Die Steuerventilsitzfläche 4 ist demnach konisch verlaufend ausgebildet. An der Steuerventilsitzfläche 4 liegt der Steuerventilbolzen 1 mit einer Dichtfläche 5 an, die leicht gerundet ausgeführt ist und im Sitzkontaktpunkt 13 die Steuerventilsitzfläche kontaktiert. Der Durchmesser D2 im Bereich des Sitzkontaktpunktes 13 beträgt vorliegend 1,88 mm. Im Bereich eines Durchmessers D3 = 2,06 mm bildet der Steuerventilbolzen 1 eine Kante aus, an welcher die Dichtfläche 5 endet. Der Sitzbereich weist demnach in der Projektion auf eine Radialebene eine erste Länge L1 = 0,225 mm und eine parallel zum Verlauf der Steuerventilsitz ausbildenden Fläche gemessene zweite Länge L2 = 0,252 mm auf.
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Der Sitzbereich des in der 4 dargestellten erfindungsgemäßen Steuerventils unterscheidet sich von dem der 3 dadurch, dass die Dichtfläche 5 des Steuerventilbolzens 1 eine Mikrostrukturierung 6 in Form mehrerer konzentrisch und in gleichem Abstand zueinander angeordneter Ringnuten 7 aufweist (siehe 5 und 6). Vorliegend sind insgesamt fünf Ringnuten 7 in der Dichtfläche 5 ausgebildet. Indem der Achsabstand A der Ringnuten 7 zueinander größer als die maximale Breite B der Ringnuten 7 gewählt ist, erfolgt praktisch keine Änderung der Flächenpressungsverteilung. Undichtigkeiten des Ventils sind demnach nicht zu erwarten. Die maximale Breite B der Ringnuten 7 beträgt vorliegend 1 μm und die Tiefe T beträgt 0,5 μm. Dabei ist die Querschnittsform der Ringnuten 7 derart gewählt, dass eine trapezförmige Nut ausgebildet wird, die im Übergang zur Dichtfläche 5 eine auf die maximale Breite B auslaufende Abflachung besitzt. Die Nut weist demnach Seitenflanken mit unterschiedlich geneigten Flankenabschnitten auf. Im Bereich der trapezförmigen Nut beträgt der Öffnungswinkel β 20°, während der Öffnungswinkel γ im Bereich der Abflachung vorliegend 140° beträgt. Im Bereich des Nutgrundes beträgt die Breite C demnach lediglich 0,4 μm.
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Die angegebene Nutform ist nur beispielhaft gewählt. Es sind darüber hinaus auch Ringnuten 7 einsetzbar, die im Querschnitt V-förmige, U-förmige und/oder rund ausgebildet sind. Zudem können alternativ oder ergänzend die Ringnuten 7 auch in der Fläche des Steuerventilsitzes 4 ausgebildet sein.
