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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit reduzierter Verkokungsgefahr sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zur Einspritzung von Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Hierbei treten insbesondere bei sogenannten direkt einspritzenden Vorrichtungen, welche ganz oder teilweise in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ragen, Verkokungen und/oder Brennstoffablagerungen an dem freien Ende der Vorrichtung auf. Hierdurch kann jedoch eine Beeinflussung der Strahlparameter auftreten, so dass eine unerwünschte Beeinflussung eines eingespritzten Kraftstoffsprays auftreten kann. Um dies zu verhindern, wurde in der
EP 1 016 736 A1 oder der
DE 199 51 014 A1 vorgeschlagen, dass eine Beschichtung um Austrittsöffnungen herum, aus welchen der Kraftstoff in den Brennraum austritt, vorgesehen wird. Im Dauerbetrieb hat sich jedoch gezeigt, dass das alleinige Vorsehen einer Beschichtung noch nicht ausreichend ist, um die unerwünschten Verkokungen und dergleichen zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass wirkungsvoll eine Verkokung und/oder eine Bildung von Ablagerungen an einer austrittsseitigen Oberfläche eines Bauteils, aus welchem der Kraftstoff austritt, vermieden werden kann. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, dass Ablagerungen an dem Austrittsbauteil erschwert werden und sich im Betrieb bei verschiedenen Betriebspunkten die Möglichkeit einer Temperaturerhöhung am Austrittsbauteil ergibt, so dass eventuell dort auftretende Ablagerungen abgebrannt bzw. vermieden werden können. Somit kann erfindungsgemäß eine dauerhafte Einspritzung von Kraftstoff ohne Ablagerungen an dem Austrittsbauteil, welches üblicherweise eine Ventilspitze eines Injektors ist, ermöglicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an der austrittsseitigen Oberfläche des Austrittsbauteils definiert eingebrachte Oberflächenstrukturen aufgebracht sind. Die Oberflächenstrukturen weisen definierte vorstehende Bereiche und definierte zurückgezogene Bereiche (Zwischenräume) zwischen den vorstehenden Bereichen auf, so dass insbesondere eine Temperaturerhöhung einer Oberflächentemperatur an den vorstehenden Bereichen möglich wird und ein Entfernen von eventuell aufgetretenen Ablagerungen oder dergleichen, insbesondere durch Abbrand, vereinfacht wird. Erfindungsgemäß kann schon durch das Vorsehen der definierten Oberflächenstrukturen aufgrund der Temperaturerhöhungen in ablagerungsrelevanten Bereichen eine Bildung von Ablagerungen reduziert werden und auch Ablagerungen abgebrannt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt sind die definierten Oberflächenstrukturen in regelmäßigen Mustern ausgebildet. Hierdurch wird eine gezielte Temperaturerhöhung an Teilen der Oberfläche der Oberflächenstrukturen ermöglicht und insbesondere spritzlochnahe Bereiche frei von Ablagerungen gehalten.
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Besonders bevorzugt sind die definiert eingebrachten Oberflächenstrukturen in Form von Rippen oder Quadern oder Kegeln oder Kegelstümpfen oder Zylindern oder Pyramiden oder Pyramidenstümpfen vorgesehen. Hierbei sind auch Oberflächenstrukturen mit beliebigen Kombinationen der vorherstehend genannten Formen möglich. Auch ist es möglich, beispielsweise eine Kombination von verschiedenen vorherstehend genannten Formen in einer regelmäßigen Anordnung zu verwenden.
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Vorzugsweise weist die Oberfläche des Austrittsbauteils eine Beschichtung auf, wobei die definierten Oberflächenstrukturen ausschließlich in der Beschichtung ausgebildet sind. Dadurch kann das Austrittsbauteil mit bekannten Fertigungsverfahren kostengünstig hergestellt werden und die definierten Oberflächenstrukturen werden ausschließlich in der Beschichtung vorgesehen.
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Alternativ sind die definierten Oberflächenstrukturen vorzugsweise im Grundmaterial des Austrittsbauteils gebildet und die so gebildeten Oberflächenstrukturen werden mit einer Beschichtung versehen. Somit werden die Oberflächenstrukturen nur im Austrittsbauteil vorgesehen und anschließend erfolgt eine flächige Beschichtung, wobei die Oberflächenstrukturen nach dem Beschichten weiterhin vorhanden sind und die vorstehenden und zurückgezogenen Bereiche lediglich beschichtet sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Alternative der Erfindung sind die definierten Oberflächenstrukturen im Grundmaterial des Austrittsbauteils gebildet und nur die vorstehenden Bereiche weisen eine Beschichtung auf. Derartige definierte Oberflächenstrukturen können beispielsweise derart hergestellt werden, dass zuerst eine Beschichtung auf die Oberfläche des Austrittsbauteils vorgesehen wird und anschließend Material zur Bildung der zurückgezogenen Bereiche der Oberflächenstrukturen abgetragen wird, wobei der Materialabtrag größer als eine Dicke der Beschichtung ist. Dadurch bleibt die Beschichtung lediglich an den vorstehenden Bereichen der Oberflächenstrukturen erhalten.
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Besonders bevorzugt sind die definierten Oberflächenstrukturen ausschließlich um die Auslassöffnungen des Austrittsbauteils angeordnet. Somit können insbesondere die Bereiche um die Spritzlöcher frei von Ablagerungen gehalten werden und eine unerwünschte Veränderung der Spraygeometrie vermieden werden.
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Vorzugsweise ist die gesamte Oberfläche des Austrittsbauteils mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehen.
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Besonders bevorzugt umfasst die definierte Oberflächenstruktur mehrere unterschiedliche geometrische Formen.
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Besonders bevorzugt ist die Beschichtung eine katalytische Beschichtung, so dass eine katalytische Umwandlung von abgelagerten Partikeln möglich ist bzw. eine Ablagerung von vorneherein verhindert wird. Die katalytische Beschichtung umfasst besonders bevorzugt Palladium und/oder Platin und/oder Legierungen dieser chemischen Elemente.
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Besonders bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Oberflächenstrukturen mittels eines Lasers eingebracht. Hierdurch kann eine hohe Genauigkeit der Formen der Oberflächenstrukturen sichergestellt werden.
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Vorzugsweise weisen die definierten Oberflächenstrukturen eine maximale Höhe in einem Bereich zwischen 20 µm bis 150 µm, vorzugsweise 20 µm bis 100 µm, weiter bevorzugt 20 µm bis 60 µm, und insbesondere bevorzugt 30 µm bis 40 µm auf. Die maximale Höhe ist dabei durch den Abstand zwischen den vorstehenden und zurückgezogenen Bereichen definiert.
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Weiter bevorzugt ist das Austrittsbauteil in Form eines Kegels mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen, aus denen Kraftstoff ausgespritzt wird, vorgesehen. Die Vielzahl von Auslassöffnungen ist dabei vorzugsweise auf einem Kreisumfang am Kegelmantel des Austrittsbauteils angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff kann dabei mit allen Arten von Kraftstoffen, insbesondere Benzin und Diesel und biologischen Kraftstoffen, verwendet werden. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff sowohl bei direkt einspritzenden Systemen als auch bei Saugrohreinspritzungen verwendet werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, wobei nach einem Schritt eines Bereitstellens eines Austrittsbauteils mit wenigstens einer Auslassöffnung, aus welchem im Betrieb der Kraftstoff ausgespritzt wird, ein Schritt des Beschichtens einer Außenseite des Austrittsbauteils mit einer Beschichtung und ein Schritt des Erzeugens von definierten Oberflächenstrukturen nur in der Beschichtung ausgeführt wird. Die Oberflächenstrukturen werden dabei vorzugsweise durch Entfernen von Teilbereichen der Beschichtung, insbesondere durch Entfernen mittels Laser, erzeugt.
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Gemäß einem alternativen bevorzugten Verfahren der Erfindung werden die definierten Oberflächenstrukturen ausschließlich im Grundmaterial des Austrittsbauteils hergestellt. Dies kann beispielsweise durch MIM-Verfahren (Metall Injection Molding) erreicht werden. Vorzugsweise werden anschließend die derart hergestellten definierten Oberflächenstrukturen mit einer Beschichtung versehen, wobei sowohl die vorstehenden als auch die zurückgezogenen Bereiche und sämtliche Wandbereiche beschichtet werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten alternativen Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird zuerst das Austrittsbauteil mit einer Beschichtung versehen und anschließend werden die definierten Oberflächenstrukturen mit vorstehenden und zurückgezogenen Bereichen derart erzeugt, dass die Beschichtung nur noch an den vorstehenden Bereichen verbleibt und die zurückgezogenen Bereiche im Austrittsbauteil gebildet sind. Dies kann beispielsweise mittels eines Lasers erfolgen, wobei eine Dicke der Beschichtung kleiner als eine maximale Höhe der definierten Oberflächenstrukturen ist.
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Vorzugsweise werden durch die erfindungsgemäßen Verfahren lediglich Bereiche um die Spritzlöcher herum mit den definierten Oberflächenstrukturen versehen.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Draufsicht der Vorrichtung von 1,
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3 und 4 Darstellungen der definierten Oberflächenstrukturen des ersten Ausführungsbeispiels,
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5 eine Schnittansicht einer definierten Oberflächenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 eine Schnittansicht einer definierten Oberflächenstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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7 bis 10 schematische Darstellungen von alternativen Oberflächenstrukturen an der Oberfläche der Beschichtung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Vorrichtung 1 zur Einspritzung von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist beispielsweise ein Injektor zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Hierbei umfasst der Injektor ein Ventilschließglied 2, welches einen Durchlass an einem Ventilsitz 3 freigeben und verschließen kann. Der Ventilsitz 3 ist dabei in einem Austrittsbauteil 4 gebildet. Das Austrittsbauteil 4 umfasst eine Vielzahl von Auslassöffnungen 5, welche ein Spray 6 erzeugen. An einer zur Außenseite des Austrittsbauteils 4 gerichteten Oberfläche 40 ist eine Beschichtung 7 vorgesehen. In 1 ist die Beschichtung 7 zur besseren Verdeutlichung überhöht dargestellt. In Wirklichkeit ist die Beschichtung 7 am Austrittsbauteil 4 deutlich dünner und weist eine Gesamtdicke G von kleiner oder gleich 10 µm auf (3) vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 10 µm.
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An der Oberfläche der Beschichtung 7 sind definierte Oberflächenstrukturen 70 vorgesehen. Die definierten Oberflächenstrukturen 70 sind dabei im Detail aus den 3 und 4 ersichtlich. Beim ersten Ausführungsbeispiel sind die definierten Oberflächenstrukturen 70 in Form von geradlinigen Rippen 71 (vorstehende Bereiche) vorgesehen, welche zwischen sich definierte Zwischenräume (Kanäle) 72 (zurückgezogene Bereiche) aufweisen. Die Rippen 71 sind dabei ausschließlich in der Beschichtung 7 gebildet. Die linearen Rippen 71 können dabei sehr einfach und kostengünstig durch eine Laserbearbeitung der Beschichtung nach Aufbringen der Beschichtung hergestellt werden. Hierbei werden durch den Laser Teilbereiche der Beschichtung entfernt, so dass die Zwischenräume 72 und die entsprechenden Rippen 71 hergestellt werden. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Rippen 71 einen viereckigen Querschnitt auf. Es sind jedoch auch andere Rippenformen möglich, beispielsweise mit dreieckigem Querschnitt oder mit kegelstumpfförmigem Querschnitt.
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Eine maximale Höhe H der definierten Oberflächenstrukturen wird durch den Abstand zwischen den vorstehenden Bereichen und den zurückgezogenen Bereichen definiert. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Höhe H ca. 40 µm.
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Durch das Vorsehen der definierten Oberflächenstrukturen 70 an der Oberfläche der Beschichtung 7 kann insbesondere eine Temperatur an den Rippen 71, welche vom Austrittsbauteil am weitesten vorstehen, erhöht werden. Hierdurch kann eine Neigung zur Ablagerung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln oder unverbrannten Kraftstoffbestandteilen, reduziert werden. Ferner kann durch die Temperaturerhöhung ein erleichtertes Entfernen der Verkokungen oder dergleichen insbesondere durch Abbrand verbessert werden. Die Beschichtung ist vorzugsweise eine katalytische Beschichtung, wodurch schon gleich bei einer Anlagerung eines Partikels an die Oberfläche eine katalytische Umwandlung (Verbrennung) des angelagerten Partikels erreicht wird. Hierdurch kann schon im Vorfeld eine Ablagerung von Partikeln durch die katalytische Beschichtung vermieden werden. Weiterhin kann durch das Vorsehen der definierten Oberflächenstruktur eine Temperaturerhöhung insbesondere im Bereich der Spritzlöcher des Injektors ermöglicht werden.
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Somit kann durch das erfindungsgemäße Vorsehen von definiert eingebrachten Oberflächenstrukturen eine Verkokung und/oder eine Ablagerung von Partikeln an einer Spitze des Injektors im Bereich der Auslassöffnungen 5 vermieden werden. Dadurch kann über die Lebensdauer der Einspritzvorrichtung eine konstante Sprayerzeugung erreicht werden. Insbesondere kann die gesamte Lebensdauer der Vorrichtung 1 signifikant verbessert werden. Dabei kann die Erzeugung der definierten Oberflächenstrukturen durch Verwendung eines Lasers in sehr kurzer Zeit und relativ kostengünstig erreicht werden.
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Die 5 und 6 zeigen zwei alternative Ausgestaltungen der definierten Oberflächenstrukturen 70. In den 5 und 6 sind ebenfalls geradlinige Rippen und Zwischenräume (Kanäle) gebildet. In dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind jedoch die definierten Oberflächenstrukturen ausschließlich im Grundmaterial des Austrittsbauteils 4 gebildet. Anschließend wurden die definierten Oberflächenstrukturen mit einer Beschichtung 7 versehen. Die definierten Oberflächenstrukturen im Grundmaterial des Austrittsbauteils 4 können beispielsweise mittels MIM-Verfahren hergestellt werden.
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Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 7 lediglich an den vorstehenden Bereichen gebildet. Derartige definierte Oberflächenstrukturen können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass in einem ersten Schritt eine flächige Beschichtung auf das Austrittsbauteil 4 aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt beispielsweise mittels einer Lasers Teile der Beschichtung und das darunterliegende Grundmaterial des Austrittsbauteils entfernt werden. Somit lassen sich auch hierdurch rippenartige Strukturen und Kanäle erzeugen, wobei die Beschichtung 7 lediglich an den vorstehenden Bereichen verbleibt. Im dritten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die maximale Höhe ca. 40 µm und eine Dicke D der Beschichtung beträgt ca. 10 µm.
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Die 7 bis 10 zeigen alternative bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen definierten Oberflächenstrukturen. In 7 sind die definierten Oberflächenstrukturen 20 in Form von Quadern 21 vorgesehen, wobei zwischen den einzelnen Quadern jeweils Kanäle 22 gebildet sind. Die Quader 21 sind alle gleich ausgebildet und erzeugen somit eine regelmäßige Oberflächenstruktur. Auch diese Oberflächenstruktur 20 kann einfach mittels Laser durch Entfernen von Teilbereichen der Beschichtung 7 hergestellt werden.
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Bei dem in 8 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel umfasst die definierte Oberflächenstruktur 30 Zylinder 31 mit entsprechend gebildeten Zwischenräumen zwischen den Zylindern. Die Verwendung von Zylindern ermöglicht dabei eine relativ dichte Packung der Zylinder, wobei ebenfalls ein regelmäßiges Muster vorgesehen ist.
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In 9 ist eine weitere Alternative der definierten Oberflächenstrukturen 50 gezeigt, welche aus Kegeln 51 gebildet ist.
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10 zeigt eine Ausführungsform der definierten Oberflächenstruktur 60 in Form von vierseitigen Pyramiden 61.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen in den 7 bis 10 werden die vorstehenden Elemente der definierten Oberflächenstrukturen durch Entfernen von Teilbereichen der Beschichtung, insbesondere durch Entfernen mittels Laser, hergestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass die anderen beschriebenen Herstellungsverfahren zur Erzeugung der definierten Oberflächenstrukturen möglich sind. Ferner sind beliebige Kombinationen der verschiedenen geometrischen Formen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1016736 A1 [0002]
- DE 19951014 A1 [0002]
