DE102013211681A1 - Fuel injection valve and device for thermal spray coating - Google Patents
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Abstract
Ein Brennstoffeinspritzventil (1), das insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dient, umfasst einen Düsenkörper (2) und eine Düsennadel (3), die zumindest abschnittsweise in dem Düsenkörper (2) angeordnet ist. Hierbei ist eine an einer Außenseite (21) des Düsenkörpers (2) angeordnete temperaturbeständige Schicht (20) vorgesehen. Die Schicht (20) weist innere Strukturen (23) aus einem Werkstoff mit geringer thermischer Leitfähigkeit auf.A fuel injection valve (1), which serves in particular as an injector for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines, comprises a nozzle body (2) and a nozzle needle (3), which is arranged at least in sections in the nozzle body (2). A temperature-resistant layer (20) is provided on an outside (21) of the nozzle body (2). The layer (20) has inner structures (23) made of a material with low thermal conductivity.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil, insbesondere einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, und eine Vorrichtung zur thermischen Sprühbeschichtung. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen sowie die Ausgestaltung von temperaturbeständigen Schichten an solchen Injektoren. The invention relates to a fuel injection valve, in particular an injector for fuel injection systems of internal combustion engines, and a device for thermal spray coating. Specifically, the invention relates to the field of injectors for fuel injection systems of air-compression, self-igniting internal combustion engines and the design of temperature-resistant layers of such injectors.
Aus der
Die aus der
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung der temperaturbeständigen Schicht ermöglicht ist. Speziell kann eine maximal im Sitzbereich des Düsenkörpers vorherrschende Temperatur bei gleichzeitig möglichst geringer Dicke der temperaturbeständigen Schicht, die als thermische Isolationsschicht dient, erniedrigt werden.The fuel injection valve according to the invention with the features of claim 1 and the device according to the invention with the features of
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils beziehungsweise der im Anspruch 9 angegebenen Vorrichtung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements of the fuel injection valve specified in claim 1 or the device specified in
Die temperaturbeständige Schicht kann aufgrund der inneren Strukturen mit einer deutlich erniedrigten Wärmeleitfähigkeit ausgestaltet werden, wobei zugleich eine hohe mechanische Belastbarkeit der Schicht und durch die reduzierte Temperatur gute tribologische Eigenschaften am Dichtsitz erzielt werden können. Die Schicht kann dabei vergleichsweise dünn ausgestaltet werden und zugleich einen thermischen Schutz gewährleisten. Somit kann die Schicht an dem Düsenkörper des Brennstoffeinspritzventils vorgesehen sein. Hierdurch ist ein effektiver Schutz der Düsennadel möglich. Speziell kann die Schicht auf YSZ, einem Quarzglas oder einer Keramik basieren, wobei die Schicht die inneren Strukturen aus dem Werkstoff mit geringer thermischer Leitfähigkeit aufweist. Die Beschichtung kann hierbei unter Atmosphärendruck erfolgen, was die Herstellung gegenüber Verfahren, wie PVD und CVD, vereinfacht.Due to the internal structures, the temperature-resistant layer can be designed with a significantly reduced thermal conductivity, wherein at the same time a high mechanical strength of the layer and due to the reduced temperature good tribological properties can be achieved at the sealing seat. The layer can be made comparatively thin while ensuring thermal protection. Thus, the layer may be provided on the nozzle body of the fuel injection valve. As a result, an effective protection of the nozzle needle is possible. In particular, the layer may be based on YSZ, a quartz glass or a ceramic, the layer having the inner structures of the material with low thermal conductivity. The coating can be carried out under atmospheric pressure, which simplifies the production compared to methods such as PVD and CVD.
Speziell ist es hierbei vorteilhaft, dass zwischen der Düsennadel und einer an dem Düsenkörper ausgestalteten Ventilsitzfläche ein Dichtsitz gebildet ist und dass die Schicht dort zumindest teilweise an der Kuppe des Düsenkörpers und/oder zumindest teilweise an einem Düsenschaft des Düsenkörpers, der sich zu der Kuppe des Düsenkörpers erstreckt, vorgesehen ist. Hierdurch ist beispielsweise auch bei einem Einsatz des Brennstoffeinspritzventils bei Anwendungen, bei denen sich die Düsennadel über längere Zeiträume auch dauerhaft im geschlossenen Zustand befindet, ein Schutz der Düsennadel realisierbar. Dies ist insbesondere für einen Motor-Bremsbetrieb bei Nutzkraftwagen von Bedeutung, da sich hier die Düsennadel nahezu dauerhaft im geschlossenen Zustand befindet und somit in Folge fehlender kühlender Brennstoffeinspritzungen über die Dauer des Motor-Bremsbetriebs ein besonders hoher Wärmeeintrag auftritt. Durch die temperaturbeständige Schicht kann hierbei ein wirksamer Schutz des Dichtsitzes an der Düsennadel gegenüber den auftretenden hohen Temperaturen erzielt werden.In this case, it is particularly advantageous that a sealing seat is formed between the nozzle needle and a valve seat surface configured on the nozzle body and that the layer there at least partially at the tip of the nozzle body and / or at least partially at a nozzle shaft of the nozzle body, which is at the tip of the nozzle body Düsenkörpers extends, is provided. As a result, for example, even when using the fuel injection valve in applications in which the nozzle needle for long periods and permanently in closed state, a protection of the nozzle needle feasible. This is particularly important for engine braking operation in commercial vehicles, since here the nozzle needle is almost permanently in the closed state and thus a particularly high heat input occurs as a result of lack of cooling fuel injections over the duration of the engine braking operation. By the temperature-resistant layer, in this case an effective protection of the sealing seat on the nozzle needle against the high temperatures occurring can be achieved.
Die Außenseite des Düsenkörpers kann im Bereich der Schicht Kanten aufweisen, die vorzugsweise als verrundete Kanten ausgestaltet sind. The outside of the nozzle body may have edges in the region of the layer, which are preferably designed as rounded edges.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Schicht zumindest eine Haftschicht, eine Hauptschicht und eine Deckschicht aufweist, dass die Hauptschicht zwischen der Haftschicht und der Deckschicht vorgesehen ist und dass die inneren Strukturen zumindest in der Hauptschicht vorgesehen sind. Durch die Haftschicht ist eine verbesserte Haftvermittlung zum Substrat, insbesondere dem metallischen Werkstoff des Düsenkörpers, möglich. Durch die Hauptschicht können die Haupteigenschaften der thermischen Schutzschicht, insbesondere über das Beschichtungsvolumen, einschließlich der zusätzlichen, die Wärmeleitung erniedrigenden inneren Strukturen realisiert werden. Über die Deckschicht kann die Oberfläche der Schicht abgeschlossen werden, wodurch sich beispielsweise der Korrosionsschutz verbessert.It is also advantageous that the layer has at least one adhesion layer, a main layer and a cover layer, that the main layer is provided between the adhesion layer and the cover layer and that the inner structures are provided at least in the main layer. By the adhesive layer improved adhesion to the substrate, in particular the metallic material of the nozzle body, is possible. Through the main layer, the main properties of the thermal protection layer, in particular on the coating volume, including the additional, the heat conduction degrading internal structures can be realized. About the top layer, the surface of the layer can be completed, which improves, for example, the corrosion protection.
Hierbei ist es ferner von Vorteil, dass die Haftschicht und die Hauptschicht in einem Überlappungsbereich ineinander übergehen und dass die inneren Strukturen in dem Überlappungsbereich, in dem die Haftschicht und die Hauptschicht ineinander übergehen, mit einem kleineren mittleren Volumenanteil vorgesehen sind als in der Hauptschicht. Hierdurch kann die innere Schichthaftung infolge der Überlappung der einzelnen Beschichtungsphasen verbessert werden, was beispielsweise über separate Zufuhrkanäle realisierbar ist. Entsprechend ist es vorteilhaft, dass die Deckschicht und die Hauptschicht in einem Überlappungsbereich ineinander übergehen und dass die inneren Strukturen in dem Überlappungsbereich, in dem die Deckschicht und die Hauptschicht ineinander übergehen, mit einem kleineren mittleren Volumenanteil vorgesehen sind als in der Hauptschicht. In vorteilhafter Weise ist der Werkstoff, aus dem die inneren Strukturen gebildet sind, ein Aerogel. Aerogele sind hochporöse Festkörper, bei denen das Volumen weitgehend aus Poren besteht. Ein Aerogel kann beispielsweise auf Silikatbasis oder Kohlenstoffbasis ausgebildet sein. Aerogele sind in der Regel in Form einer stark dendritischen Struktur ausgestaltet, bei der eine Verästelung von Partikelketten mit sehr vielen Zwischenräumen in Form von offenen Poren besteht. Die Partikelketten besitzen hierbei Kontaktstellen, so dass sich eine Ausgestaltung in Form eines stabilen, schwammartigen Netzes ergibt. Die Porengröße der offenen Poren kann hierbei im Nanometerbereich liegen. In this case, it is also advantageous that the adhesive layer and the main layer merge into one another in an overlapping region and that the inner structures in the overlapping region in which the adhesive layer and the main layer merge with one another are provided with a smaller average volume fraction than in the main layer. As a result, the inner layer adhesion can be improved as a result of the overlapping of the individual coating phases, which can be achieved, for example, via separate feed channels. Accordingly, it is advantageous that the cover layer and the main layer merge into one another in an overlapping area and that the inner structures in the overlapping area in which the cover layer and the main layer merge with one another are provided with a smaller average volume fraction than in the main layer. Advantageously, the material of which the internal structures are formed is an airgel. Aerogels are highly porous solids in which the volume is largely composed of pores. An airgel may be formed, for example, silicate-based or carbon-based. Aerogels are usually designed in the form of a strongly dendritic structure in which there is a branching of particle chains with very many spaces in the form of open pores. The particle chains in this case have contact points, so that there is an embodiment in the form of a stable, sponge-like network. The pore size of the open pores may be in the nanometer range.
Da die inneren Strukturen vorzugsweise keinen direkten Kontakt mit der Umgebung haben, was beispielsweise über die Deckschicht erreicht werden kann, kann unter anderem auch keine Luftfeuchtigkeit oder dergleichen in das Aerogel eindringen, was eine mögliche Rissbildung von vornherein verhindert. Ferner wird hierdurch auch ein Aufnehmen von anderen Stoffen im gasförmigen oder flüssigen Zustand verhindert. Since the inner structures preferably have no direct contact with the environment, which can be achieved, for example, via the cover layer, inter alia, no air moisture or the like can penetrate into the airgel, which prevents possible cracking from the outset. Furthermore, this also prevents picking up of other substances in the gaseous or liquid state.
Vorteilhaft ist es auch, dass die inneren Strukturen durch während eines thermischen Sprühbeschichtungsvorgangs in die Materialzufuhr eingebrachte Partikel aus dem Werkstoff mit der geringen thermischen Leitfähigkeit gebildet sind. Bei dem thermischen Sprühbeschichtungsvorgang kann hierbei über die bei der Materialzufuhr erfolgende Dosierung der Volumenanteil der inneren Strukturen in der Schicht eingestellt und gegebenenfalls auch mit dem Schichtwachstum variiert werden. It is also advantageous that the internal structures are formed by particles introduced into the material feed during a thermal spray coating process from the material with the low thermal conductivity. In the case of the thermal spray coating process, the volume fraction of the internal structures in the layer can be adjusted via the metering effected during the material supply and optionally also varied with the layer growth.
Vorteilhaft ist es, dass die Vorrichtung zur thermischen Sprühbeschichtung so ausgestaltet ist, dass die Förderschnecke einen Längskanal umschließt, durch den der Gasstrom zu dem Gasaustritt führbar ist. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung ist es vorteilhaft, dass die Förderschnecke innerhalb eines Längskanals mit ringspaltförmigem Führungsquerschnitt, durch den der Gasstrom zu dem Gasaustritt führbar ist, angeordnet ist. Somit sind kompakte Ausgestaltungen möglich, bei denen hinter dem Gasaustritt ein oder mehrere Düsen zum Zuführen eines oder mehrerer Beschichtungsmaterialien angeordnet sind und zugleich kontinuierlich oder variabel der Werkstoff mit geringer thermischer Leitfähigkeit über die Förderschnecke zugeführt werden kann. Somit kann die temperaturbeständige Schicht mit den inneren Strukturen in vorteilhafter Weise ausgestaltet werden.It is advantageous that the device for thermal spray coating is designed so that the screw conveyor encloses a longitudinal channel, through which the gas flow to the gas outlet can be guided. In a modified embodiment, it is advantageous that the screw conveyor within a longitudinal channel with annular gap-shaped guide cross section, through which the gas flow to the gas outlet can be guided, is arranged. Thus, compact embodiments are possible in which behind the gas outlet one or more nozzles for supplying one or more coating materials are arranged and at the same time continuously or variably the material with low thermal conductivity can be supplied via the screw conveyor. Thus, the temperature-resistant layer can be configured with the internal structures in an advantageous manner.
Durch die inneren Strukturen in der als thermische Isolationsschicht dienenden Schicht können unter anderem in Bezug auf die thermische Belastung einer DLC-Beschichtung der Düsennadel höhere Temperaturen im Brennraum erlaubt werden, indem in der Schicht zur Isolation die inneren Strukturen aus dem Werkstoff mit geringer thermischer Leitfähigkeit ausgebildet werden, so dass sich der Temperaturbereich an der DLC-Beschichtung der Düsennadel nach unten verschiebt. Somit wird für eine bestimmte Anwendung beziehungsweise Temperatur im Brennraum durch die thermisch isolierende Schicht an der Außenseite des Düsenkörpers die thermische Belastung an der Düsennadel verringert. Dies ermöglicht andererseits in Bezug auf eine bestimmte Belastbarkeit der Düsennadel, insbesondere einer DLC-Beschichtung der Düsennadel, eine Vergrößerung des Einsatzbereichs, insbesondere höhere Temperaturen im Brennraum. By virtue of the internal structures in the layer serving as the thermal insulation layer, higher temperatures in the combustion chamber can be permitted, inter alia with respect to the thermal load of a DLC coating of the nozzle needle, by forming the inner structures of the material with low thermal conductivity in the insulation layer so that the temperature range on the DLC coating of the nozzle needle shifts downward. Thus, the thermal load on the nozzle needle is reduced for a specific application or temperature in the combustion chamber by the thermally insulating layer on the outside of the nozzle body. On the other hand, this allows with respect to a certain load capacity of the nozzle needle, in particular a DLC coating of the nozzle needle, an increase in the range of use, in particular higher temperatures in the combustion chamber.
Hierbei kann auch die Haftung der DLC-Beschichtung an dem metallischen Werkstoff der Düsennadel in Bezug auf höhere Umgebungstemperaturen verbessert werden. In this case, the adhesion of the DLC coating to the metallic material of the nozzle needle with respect to higher ambient temperatures can be improved.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings, in which corresponding elements are provided with identical reference numerals. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das Brennstoffeinspritzventil
Der Düsenkörper
Die Düsennadel
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Schicht
Bei einer abgewandelten Ausgestaltung können auch ein Überlappungsbereich
Die Vorrichtung
Der Werkstoff mit der niedrigen thermischen Leitfähigkeit, insbesondere das Aerogel, kann prinzipiell in der Strömungsrichtung
Die Düse
Somit erfolgt die Materialzufuhr des Aerogels, insbesondere der Aerogel-Partikel, über einen koaxial zu dem Längskanal
Über die Frequenz der Förderschnecke
Ein weiterer Vorteil der durch die Vorrichtung
Außerdem ergibt sich der Vorteil, dass das Mischungsverhältnis beliebig variiert werden kann. Gegenüber einer vorbereiteten Mischung, bei der die inneren Strukturen
Gegenüber einer Ausgestaltung, bei der eine weitere Düse nach den Düsen
Somit ist über die Förderschnecke
Die Basismaterialien für die Schicht
Die Abmessungen der Aerogel-Partikel kann dabei im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu wenigen Zehntel Millimeter liegen. Als Basismaterial für die Schicht
Mithilfe der Vorrichtung
Somit können die inneren Strukturen
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the described embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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