DE102015211674A1

DE102015211674A1 - Gasinjektor mit verbessertem Öffnungsverhalten

Info

Publication number: DE102015211674A1
Application number: DE102015211674.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias PROKSCH; Jochen Rose; Hirokazu Terashima; Elmar Okrent; Andreas Krause; Andreas Peetz; Simon Hees; Frank Miller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2016-12-29
Also published as: RU2016125160A; CN106286016A; RU2716658C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, umfassend eine Ventilsitzanordnung mit einem Ventilsitz (2) und einem Elastomer (3), wobei der Elastomer (3) eine Durchgangsöffnung (6) am Ventilsitz (2) freigibt und verschließt, und wobei der Ventilsitz (2) eine antiadhäsive Beschichtung (7) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums mit einem verbesserten Öffnungsverhalten. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes eines Gasinjektors.
Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Zur Abdichtung derartiger Gasinjektoren können Elastomere verhindert werden, welche auf einem Ventilsitz im geschlossenen Zustand des Gasinjektors aufsitzen. Ein Problemkreis derartiger Gasinjektoren ist jedoch die Kaltstartfähigkeit, da die Elastomere bei tiefen Temperaturen nur sehr geringe elastische Eigenschaften aufweisen. Zur Lösung dieses Problems wurde in der DE 102013202599 A1 ein elastomeres Dichtelement vorgeschlagen, welches unterschiedliche Dicken am Dichtbereich aufweist. Ein weiterer Problemkreis, insbesondere bei tiefen Temperaturen, liegt bei Gasinjektoren vor, wenn beispielsweise Öl oder ölhaltige flüssige Medien im Bereich des Ventilsitzes vorhanden sind. Das Öl kann dabei aus Lagern oder anderen Schmierstellen im Zufuhrweg des gasförmigen Mediums stammen, an welchem das gasförmige Medium vorbeigeführt wurde. Derartige flüssige, ölhaltige Medien können sich im Bereich des Ventilsitzes sammeln und zusätzlich zu einem erschwerten Öffnen des Gasinjektors führen. Auch kann durch das Vorhandensein von Öl im Bereich des Ventilsitzes eine definierte Öffnungsdauer häufig nicht mehr eingehalten werden. Die 6 und 7 zeigen dabei das Öffnungsverhalten im Stand der Technik, falls eine ölhaltige Flüssigkeit im Bereich des Ventilsitzes vorhanden ist. 6 zeigt den geschlossenen Zustand, wobei ein Elastomer 3 auf einem Ventilsitz 4, 5 aufsitzt und Öl 80 im Bereich des Ventilsitzes vorhanden ist. Beim Öffnen des Gasinjektors gemäß dem Stand der Technik (7) bildet das Öl 80 einen geschlossenen Film zwischen dem schon abgehobenen Elastomer 3 und dem Ventilsitz 4, 5, so dass erst nach Zurücklegen eines vorbestimmten Weges der Ölfilm zwischen dem Elastomer und dem Ventilsitz abreißt und Gas durch die Durchlassöffnung 6 strömen kann.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Öffnungsverhalten bei tiefen Temperaturen, d.h., Temperaturen unter 0°C, signifikant verbessert ist. Insbesondere ist das Öffnungsverhalten auch bei Vorhandensein einer ölhaltigen Flüssigkeit im Bereich des Ventilsitzes signifikant verbessert, insbesondere bei tiefen Temperaturen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gasinjektor eine Ventilsitzanordnung mit einem Ventilsitz und einem Elastomer aufweist, wobei der Elastomer eine Durchgangsöffnung am Ventilsitz freigibt und verschließt. Dabei weist der Ventilsitz eine antiadhäsive Beschichtung auf. Durch das Vorsehen der Beschichtung am Ventilsitz kann ein Kleben des Elastomers am Ventilsitz bei allen Temperaturen vermieden werden. Somit wird das Öffnen des Gasinjektors auch bei tiefen Temperaturen unter 0°C erleichtert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist die Beschichtung des Ventilsitzes oleophob. Da bei Gasinjektoren eine sich am Ventilsitz ansammelnde Flüssigkeit in der Regel Öl enthält, ist die oleophobe Beschichtung geeignet, ein Anhaften der ölhaltigen Flüssigkeit am Ventilsitz zu vermeiden, so dass bei einem Öffnen des Gasinjektors unmittelbar ein Querschnitt am Ventilsitz freigegeben wird. Die ölhaltige Flüssigkeit wird während des Öffnungsvorgangs dabei nicht teilweise mit in Öffnungsrichtung hochgezogen.
Vorzugsweise umfasst die Beschichtung Silizium. Besonders bevorzugt umfasst die Beschichtung dabei Siliziumoxid. Vorzugsweise weist die siliziumhaltige Beschichtung eine Dicke von 50 nm bis 600 nm auf.
Weiter bevorzugt weist die Beschichtung als Hauptbestandteile, d.h., größer 50 Gew.-%, eine Silizium-Kohlenstoff-Verbindung auf. Eine Schichtdicke liegt dabei vorzugsweise zwischen 50 und 5000 nm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 500 nm.
Weiter bevorzugt umfasst die Beschichtung Silikon. Eine Dicke der silikonhaltigen Beschichtung ist vorzugsweise in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung eine Sol-Gel-Beschichtung, insbesondere mit eingelagerten keramischen Nanopartikeln. Die Nanopartikel sind vorzugsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes-Ethylen-Propylen), PFA (Perfluoralkoxy-Polymere), oder ETFE (Ethylen-Tetra-Fluor-Ethylen). Eine Dicke dieser Beschichtung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 nm bis 10000 nm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm.
Weiter bevorzugt umfasst die Beschichtung Fluorpolymerbeschichtungen, welche insbesondere gelöst in einem Lösungsmittel oder mittels eines Plasmaprozesses aufgebracht werden können. Der Polymerbestandteil der Fluorpolymerbeschichtung ist vorzugsweise FEP, PFA oder ETFA oder ein beliebiges Gemisch davon. Eine Schichtdicke liegt im Bereich von 10 nm bis 10000 nm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm.
Die Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 50 nm bis 2000 nm auf, insbesondere 100 nm bis 1000 nm und weiter insbesondere 500 nm bis 800 nm. Hierdurch wird vermieden, dass die Beschichtung andere technische Parameter des Ventilsitzes, z.B. Wärmeleitung oder dgl. beeinflussen kann.
Um eine definierte Öffnungscharakteristik des Gasinjektors sicherzustellen, ist eine Dicke der Beschichtung auf dem Ventilsitz vorzugsweise konstant.
Weiter bevorzugt umfasst der Ventilsitz einen ersten ringförmigen Kontaktbereich und einen zweiten ringförmigen Kontaktbereich. Die Durchgangsöffnung ist dabei zwischen dem ersten und zweiten ringförmigen Kontaktbereich angeordnet. Die Beschichtung ist dabei sowohl auf dem ersten, als auch auf dem zweiten ringförmigen Kontaktbereich ausgebildet. Diese Ausgestaltung stellt insbesondere sicher, dass große Öffnungsquerschnitte durch den Gasinjektor freigegeben werden können, so dass große Gasmengen in einen Brennraum eingeblasen werden können.
Besonders bevorzugt ist die Beschichtung auf dem Ventilsitz eine Niedertemperaturplasma-Beschichtung. Mittels dieses Verfahrens kann die Beschichtung einfach und kostengünstig aufgebracht werden.
Ferner überdeckt die Beschichtung den Ventilsitz vorzugsweise vollständig oder die Beschichtung überdeckt den Ventilsitz selektiv in vorbestimmten Flächenbereichen.
Des Weiteren ist eine Fläche der Beschichtung bevorzugt größer als eine Projektion des Elastomers in Axialrichtung X-X auf die Beschichtung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes eines Gasinjektors, umfassend die Schritte des Bereitstellens eines Ventilsitzes und des Aufbringens einer antiadhäsiven Beschichtung auf den Ventilsitz, insbesondere mittels eines Niedertemperaturplasma-Beschichtungsverfahrens. Hierdurch können die vorstehend beschriebenen Vorteile, insbesondere bei Vorhandensein einer ölhaltigen Flüssigkeit im Bereich des Ventilsitzes, erhalten werden, so dass der Gasinjektor ein definiertes und reproduzierbares Öffnungsverhalten aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Niedertemperaturplasma-Beschichtungsverfahren derart ausgeführt, dass die Beschichtung eine glasartige Oberfläche aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum der Brennkraftmaschine.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Gasinjektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittansicht einer Ventilsitzanordnung des Gasinjektors von 1,
3 eine schematische, vergrößerte Schnittansicht eines Ventilsitzes von 2,
4, 5 schematische Schnittansichten, welche den Öffnungsvorgang des Gasinjektors gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigen, und
6, 7 schematische Schnittansichten, welche den Öffnungsvorgang eines Gasinjektors gemäß dem Stand der Technik zeigen.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein Gasinjektor 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Der Gasinjektor 1 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist ein Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum. Der Gasinjektor 1 umfasst dabei ein Ventilgehäuse 10, einen Magnetanker 12, eine Magnetspule 13 und eine Schließfeder 14. Ein Einstellbolzen 16 ist vorgesehen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder 14 einzustellen. Das Gas wird in axialer Richtung zugeführt (Pfeil H) und durch einen Filter 11 geführt. Die Magnetspule 13 ist mittels einer Umspritzung aus Kunststoff am Ventilgehäuse 10 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss 18 ist seitlich am Gasinjektor 1 vorgesehen.
Am Magnetanker 12 ist an einem Ende in Axialrichtung X-X ein Schließelement 30 mit einem Elastomer 3 angeordnet. Das Schließelement verschließt dabei Durchlassöffnungen 6, welche in einem Ventilträger 20 vorgesehen sind. Am Ventilträger 20 ist ein Ventilsitz 2 vorgesehen.
Der Ventilsitz 2 bildet zusammen mit dem Elastomer 3 eine Ventilsitzanordnung.
Der Ventilsitz 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten ringförmigen Kontaktbereich 4 und einen zweiten ringförmigen Kontaktbereich 5. Wie aus 2 ersichtlich ist, umgeben die ringförmigen Kontaktbereiche 4, 5 die Durchlassöffnungen 6. Die Durchlassöffnungen 6 weisen eine Nierenform auf.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ist am Ventilsitz 2, genauer am ersten und zweiten Kontaktbereich 4, 5, eine antiadhäsive Beschichtung 7 aufgebracht. Die Beschichtung 7 ist dabei auch oleophob ausgebildet. Die Beschichtung 7 kann beispielsweise mittels Niedertemperaturplasma-Beschichten aufgebracht werden.
Eine Dicke der Beschichtung 7 ist dabei konstant. Die Beschichtung 7 weist dabei eine Dicke zwischen 50 nm bis 2000 nm auf, bevorzugt 50 nm bis 600 nm.
Die Beschichtung 7 wird mittels eines Niedertemperaturplasma-Beschichtungsverfahrens hergestellt derart, dass die Beschichtung 7 eine glasartige Schicht auf dem Ventilsitz 2 bildet.
Ferner ist die Beschichtung 7 in der Fläche derart vorgesehen, dass eine Projektion des Elastomers 3 in Axialrichtung X-X vollständig in der Fläche der Beschichtung 4 liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass, falls eine Flüssigkeit im Bereich zwischen dem Elastomer 3 und dem Ventilsitz 2 vorhanden ist, diese beim Öffnen nicht mit der Bewegung des Elastomers mitgezogen wird und eine Unterbrechung einer Verbindung eines Strömungsweges für den gasförmigen Kraftstoff in die Durchlassöffnung 6 verhindert.
Der Öffnungsvorgang ist in den 4 und 5 dargestellt. 4 zeigt dabei schematisch den geschlossenen Zustand des Gasinjektors 1 und 5 den geöffneten Zustand des Gasinjektors 1. Im geschlossenen Zustand des Gasinjektors hat sich eine ölhaltige Flüssigkeit 8 im Bereich zwischen dem Ventilsitz 2 und dem Elastomer 3 angesammelt. Der Elastomer 3 dichtet am ersten und zweiten Kontaktbereich 4, 5 des Ventilsitzes 2 ab. Beim Öffnen, was in 5 dargestellt ist, bleibt aufgrund der oleophoben, antiadhäsiven Beschichtung 7 keine ölhaltige Flüssigkeit 8 auf der Beschichtung 7 anhaften. Wie in 5 dargestellt, haftet die ölhaltige Flüssigkeit 8 im Wesentlichen am Elastomer 3 an. Dadurch wird die Bildung einer Unterbrechung des Strömungsweges für das gasförmige Medium in die Durchlassöffnung 6 durch die ölhaltige Flüssigkeit verhindert.
Erfindungsgemäß kann somit ein Kleben des Elastomers 3 am Ventilsitz 2 verhindert werden und eine Öffnung, insbesondere auch bei kalten Umgebungstemperaturen unter 0°C, des Elastomers kann auch bei Vorhandensein von ölhaltigen Flüssigkeiten am Ventilsitz sichergestellt werden.
Die antiadhäsive und oleophobe Beschichtung 7 ist vorzugsweise mittels Plasmaverfahren aufgebracht.
Somit kann erfindungsgemäß ein adhäsives und hydraulisches Kleben des Elastomers 3 und somit eine verzögerte Öffnung des Gasinjektors vermieden werden. Dadurch können exakte Gasmengen eingeblasen werden und auch bei einer Ansammlung einer ölhaltigen Flüssigkeit im Bereich des Ventilsitzes 2 keine veränderten Öffnungs- und Schließzeiten des Gasinjektors auftreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013202599 A1 [0002]

Claims

Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, umfassend: – eine Ventilsitzanordnung mit einem Ventilsitz (2) und einem Elastomer (3), – wobei der Elastomer (3) eine Durchgangsöffnung (6) am Ventilsitz (2) freigibt und verschließt, und – wobei der Ventilsitz (2) eine antiadhäsive Beschichtung (7) aufweist.
Gasinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) oleophob ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) Silizium umfasst.
Gasinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) Siliziumoxid umfasst.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) eine Dicke in einem Bereich von 50 nm bis 2000 nm aufweist, insbesondere 100 nm bis 1000 nm, und weiter insbesondere 500 nm bis 800 nm.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Beschichtung (7) konstant ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (2) einen ersten ringförmigen Kontaktbereich (4) und einen zweiten ringförmigen Kontaktbereich (5) aufweist, wobei die Durchgangsöffnung (6) zwischen dem ersten und zweiten ringförmigen Kontaktbereich angeordnet ist und die Beschichtung (7) auf dem ersten und zweiten ringförmigen Kontaktbereich (4, 5) ausgebildet ist.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) den Ventilsitz (2) vollständig überdeckt oder dass die Beschichtung (7) den Ventilsitz (2) selektiv in vorbestimmten Flächenbereichen überdeckt.
Gasinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche der Beschichtung (7) größer ist als eine Projektion des Elastomers (3) in Axialrichtung (X-X) auf die Beschichtung.
Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes (2) eines Gasinjektors, umfassend die Schritte: – Bereitstellen des Ventilsitzes (2), und – Aufbringen einer antiadhäsiven Beschichtung (7) auf den Ventilsitz, insbesondere mittels Niedertemperaturplasma-Beschichten.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperaturplasma-Beschichten derart ausgeführt wird, dass die Beschichtung eine glasartige Oberfläche aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) derart aufgebracht wird, dass der Ventilsitz (2) vollständig von der Beschichtung (7) überdeckt ist und insbesondere dass eine Projektion des Elastomers (3) auf die Beschichtung (7) kleiner ist, als die Beschichtung.